藻源性黑水團(tuán)環(huán)境效應(yīng)Ⅲ:對(duì)水-沉積物界面處Fe-S-P循環(huán)的影響

劉國(guó)鋒1,2,3,范成新2*,張 雷2,申秋實(shí)2,王兆德2,韓士群3**(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心,江蘇無(wú)錫 21408；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,江蘇 南京 210014)

利用靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)裝置研究了藻源性黑水團(tuán)發(fā)生過(guò)程中沉積物表層上覆水和沉積物間隙水中 Fe-S-P的變化過(guò)程.結(jié)果表明:加入藻細(xì)胞后很快形成厭氧、還原環(huán)境,使得沉積物中Fe-S-P發(fā)生強(qiáng)烈的生物地球化學(xué)變化;實(shí)驗(yàn)第1d,表層上覆水中的Fe2+、SO42-、S2-含量高達(dá)4.993,242.0,387.57mg/L,為對(duì)照樣柱中的1.8倍、2.2倍和18.8倍;在沉積物4cm處其濃度分別為8.5,40.0,65.3mg/L.隨后,沉積物表層上覆水中 Fe2+、S2-含量表現(xiàn)出一個(gè)先快速增加、隨后降低的趨勢(shì),其濃度分別在實(shí)驗(yàn)的第 3,2d達(dá)到最大值為 11.1,634.6mg/L. 沉積物中PO43--P濃度受Fe-P解析等具有滯后性,從實(shí)驗(yàn)的第2d后開始直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)表現(xiàn)為其含量持續(xù)增加,到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其濃度為39.450mg/L,為對(duì)照樣柱中的242倍.上覆水和間隙水中Fe-S-P含量的變化,反映了藻華聚集形成的厭氧環(huán)境中發(fā)生了劇烈的生物地球化學(xué)反應(yīng),從而使得沉積物中形成的Fe2+、S2-和 PO43--P不斷向上覆水體中擴(kuò)散,對(duì)形成黑水團(tuán)的水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)造成阻礙和不良影響.

黑水團(tuán)；水-沉積物界面；鐵硫磷循環(huán)；環(huán)境效應(yīng)

2007年無(wú)錫太湖南泉水廠和2008年太湖竺山湖發(fā)生的大面積藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象[1]造成了嚴(yán)重的水危機(jī)事件[2].藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象的發(fā)生,也使得藍(lán)藻水華對(duì)水體的污染產(chǎn)生了質(zhì)的變化.雖然藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象在國(guó)外部分湖泊及河流中有過(guò)較早出現(xiàn)[3-4],在國(guó)內(nèi)眾多河道受到嚴(yán)重的工農(nóng)業(yè)污染產(chǎn)生“黑臭”現(xiàn)象[5],但在像太湖水體出現(xiàn)大面積藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象尚不多見.

藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象是由于藻細(xì)胞大量堆積、受高溫和溶氧影響快速沉降到沉積物表面死亡后引起的.在該過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)藻類快速死亡過(guò)程,沉積物表面處的溶解氧和氧化還原電位將會(huì)出現(xiàn)快速的變化.Fe、S、P作為重要的生物地球化學(xué)元素,其在生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)中占有重要地位,同時(shí)因其對(duì)周圍環(huán)境條件的變化較為敏感和相互關(guān)系較為密切[6];且在水體富營(yíng)養(yǎng)化中磷還是重要營(yíng)養(yǎng)元素之一[7],在各種水體和沉積物的研究中都處于較為突出的地位. 藻體細(xì)胞沉降、死亡后引起局部水體處于強(qiáng)還原狀態(tài)[3,8],沉積物中對(duì)氧化還原電位影響較為敏感的 Fe-P(鐵結(jié)合態(tài)磷)會(huì)出現(xiàn)解析而向上覆水體中釋放磷酸根;同時(shí)沉積物環(huán)境處于還原狀態(tài),將會(huì)使硫元素向低價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)化,在沉積物中富集比平常高得多的 S2-;由于其具有揮發(fā)性,將產(chǎn)生含硫氣體(如H2S等)對(duì)水體生態(tài)環(huán)境造成危害[3].

藻源性黑水團(tuán)是一種新的水污染現(xiàn)象,目前缺少對(duì)其相應(yīng)的認(rèn)識(shí),同時(shí)加之缺少相應(yīng)的模擬手段,對(duì)藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象在發(fā)生過(guò)程中相關(guān)生源要素循環(huán)變化的研究較少.因此深入了解Fe、S、P在藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象發(fā)生過(guò)程中的循環(huán)變化,對(duì)認(rèn)識(shí)和揭示藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象的環(huán)境效應(yīng)具有重要意義.本文以從太湖發(fā)生過(guò)黑水團(tuán)區(qū)域采集原狀湖水、沉積物和新鮮藻體為實(shí)驗(yàn)材料,利用自制靜態(tài)模擬裝置研究藻體大量堆積、死亡過(guò)程中對(duì)水～沉積物界面處 Fe、S、P含量變化的影響,以期為了解和明確藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理及其產(chǎn)生的嚴(yán)重環(huán)境后果提供理論依據(jù).

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

為了減少人為影響及外界對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的干擾,并能更好的與實(shí)際情況更符合,本實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)材料全部取自太湖黿頭渚附近樣點(diǎn)(31°31′33.9″N, 120°12′35.2″E),用重力采樣器采集若干擾動(dòng)極小的柱狀沉積物樣,用橡膠塞密封保存;用浮游生物網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)撈取藍(lán)藻細(xì)胞快速運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

把取回的沉積物柱狀樣小心的切掉底層沉積物,保留表層 20cm的沉積物于管子中;同時(shí)保持表層底泥被上覆水覆蓋以防氧化,然后在無(wú)擾動(dòng)下添加上覆水的高度 30cm.隨后把具有良好空氣致密性的沉積物間隙水抽濾裝置(Rhizon,荷蘭)小心的插入每根管子中預(yù)留的小孔中,保證所取試驗(yàn)樣品不受空氣影響,每相鄰兩個(gè)小孔的垂直間隔距離為1cm.然后靜置2h,以使保留在管子中的沉積物及上覆水達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡.整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度控制在25℃±1℃.

把取回來(lái)的藻液小心的裝入離心杯中,然后1500r/min離心 5min,去掉湖水,取出經(jīng)過(guò)離心的新鮮藻體裝入 3根沉積物柱狀樣中,每根柱子加藻量為25.0g;另取3根沒有加藻的柱狀沉積物設(shè)為對(duì)照組.從添加藻細(xì)胞開始,在 N2的保護(hù)下每天定時(shí)用Rhizon抽濾間隙水,用Eppendorf移液槍移取4mL水樣于小離心管中,加入一滴1mol/L HCl溶液保存,用來(lái)測(cè)定間隙水中Fe2+和S2-的含量;做好編號(hào)后進(jìn)行保存,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后一并測(cè)試.根據(jù)上覆水中藻細(xì)胞的變化及水體發(fā)黑、發(fā)臭的程度確定實(shí)驗(yàn)進(jìn)程.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,沉積物樣品在N2保護(hù)下利用便攜式氧化還原電位計(jì)(Eh)測(cè)定沉積物的氧化還原電位值,其他按照文獻(xiàn)[9]所述的操作方法進(jìn)行,每個(gè)處理3個(gè)平行.

1.3 樣品分析

溶解性 Fe2+用 Ferrozine比色法測(cè)定[10];S2-的含量測(cè)定按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[11]測(cè)定;SO42-用離子色譜(Dionex～100)法測(cè)定. PO43--P含量采用注射式流動(dòng)分析儀(Skalar-SA 3000/5000,Netherlands)測(cè)定.數(shù)據(jù)分析采用Excel 2007和SPSS19.0進(jìn)行,繪圖用Origin 8.0進(jìn)行處理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果以其平均值來(lái)表示,實(shí)驗(yàn)誤差控制在10%以內(nèi),其他處理均同文獻(xiàn)[9].

2 結(jié)果與分析

2.1 水-沉積物界面處Fe、P含量變化

圖1 第1階段水-沉積物界面處Fe2+、PO43--P含量變化Fig.1 Fe2+、PO43--P content changes in water-sediment interface during the first stage

加入藻細(xì)胞后,0～1cm處沉積物表層上覆水和沉積物中Fe2+與PO43--P含量變化情況可以分為兩個(gè)階段.第1階段為實(shí)驗(yàn)的1～4d:沉積物表層0～1cm處的上覆水中Fe2+含量首先出現(xiàn)較為明顯的變化(圖1).在實(shí)驗(yàn)的第1d,沉積物表層上覆水中Fe2+含量就高達(dá) 4.993mg/L;而沉積物中不同深度下Fe2+含量表現(xiàn)為隨深度增加其含量上升,在4cm深處含量最高,為 8.462mg/L,同期對(duì)照樣中0～1cm、4cm 處 Fe2+含量分別為 2.706mg/L、6.691mg/L.根據(jù)加入藻細(xì)胞后對(duì)水-沉積物界面處溶氧含量的測(cè)定[9]可知,大量藻細(xì)胞沉降后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)快速耗氧過(guò)程,同時(shí)在較高溫度(25℃)作用下,水-沉積物界面處的微生物活性較高[12],也使得耗氧作用大大增加,加入藻細(xì)胞50min后水-沉積物界面處的溶氧就已消耗殆盡,從而使得表層沉積物處于厭氧狀態(tài).此時(shí)因Fe-P尚沒有表現(xiàn)出明顯的解析現(xiàn)象,在 0～1cm處沉積物表層上覆水及沉積物中PO43--P含量變化不是很大.到了實(shí)驗(yàn)的第2d,沉積物間隙水中Fe2+含量繼續(xù)增加,而0～1cm處上覆水中 Fe2+含量反而有降低趨勢(shì);受氧化還原環(huán)境變化影響,沉積物中PO43--P含量已開始表現(xiàn)出增加趨勢(shì),在 1～2cm處已從第 1d的0.09mg/L增加為第2d的1.11mg/L,含量增加了11倍.到了實(shí)驗(yàn)的第3d,0～1cm處上覆水和沉積物中Fe2+含量變化較大,0～1cm處上覆水中Fe2+含量高達(dá)11.051mg/L,為同期對(duì)照樣的4倍;沉積物4cm處Fe2+含量反而下降為0.979mg/L.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第4d,0～1cm處沉積物表層上覆水中 Fe2+含量下降,而沉積物中 Fe2+含量開始增加;同時(shí),0～1cm處上覆水和沉積物間隙水中PO43--P含量表現(xiàn)為緩慢增加,到實(shí)驗(yàn)第4d時(shí),上覆水中PO43--P含量高達(dá)4.485mg/L,1～4cm沉積物間隙水PO43--P含量分別增加為4.71,4.17,1.245,1.44mg/L,這種變化趨勢(shì)可能是沉積物中 Fe-P在厭氧環(huán)境中出現(xiàn)緩慢的解析,同時(shí)結(jié)晶態(tài)的Fe氧化物向無(wú)機(jī)態(tài)的鐵轉(zhuǎn)化[13],且在厭氧條件下被還原為低價(jià)態(tài)的Fe向上覆水中快速擴(kuò)散[2],使得0～1cm處上覆水中Fe2+含量快速增加;同時(shí),間隙水中部分 Fe-P解析后以PO43--P形式通過(guò)濃度梯度向上覆水中擴(kuò)散,相關(guān)分析表明,Fe2+含量變化與PO43--P含量具有顯著相關(guān)性(r=0.742),從而引起上覆水中PO43--P含量增加.

圖2 第2階段水-沉積物界面處Fe2+、PO43--P含量變化Fig.2 Fe2+、PO43--P content changes in water-sediment interface during the second stage

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第2階段(也即在加入藻細(xì)胞后第5d,圖2),0～1cm處沉積物表層上覆水和沉積物間隙水中Fe2+含量有一定的波動(dòng)變化,但上覆水中Fe2+含量基本處于4.00mg/L左右,在第6d為4.182mg/L,隨后其含量開始下降;同時(shí)沉積物間隙水中Fe2+含量也表現(xiàn)下降趨勢(shì);同時(shí)上覆水中Fe2+與沉積物中厭氧還原后的S2-結(jié)合形成黑水沉淀,也降低了Fe2+在上覆水中的濃度.上覆水和沉積物間隙水中PO43--P含量表現(xiàn)為持續(xù)增加趨勢(shì),到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),上覆水中PO43--P含量高達(dá)39.450mg/L,為同期對(duì)照樣和實(shí)驗(yàn)第1d時(shí)的242倍和7.9倍;1～4cm處間隙水中 PO43--P含量分別為 35.4,14.295,12.54, 10.74mg/L,分別為對(duì)照的71.7倍、9.4倍、7.9倍和4.2倍.這種快速增加的趨勢(shì)表明在厭氧、強(qiáng)還原環(huán)境下沉積物中吸附態(tài)P發(fā)生了劇烈的解析反應(yīng),使得間隙水中大量的PO43--P向上覆水中擴(kuò)散,造成表層水體中 PO43--P含量快速增加.這與Rozan[6]通過(guò)對(duì)沉積物中 Fe-S-P進(jìn)行一年的研究結(jié)論相同,即厭氧條件下會(huì)使得可溶性Fe增加,同時(shí)會(huì)引起沉積物中的PO43--P向上覆水中釋放,為藻華的再次發(fā)生提供了磷源.

2.2 水-沉積物界面處SO42-、S2-含量變化

加入藻細(xì)胞于表層沉積物第1d(圖3),水-表層沉積物界面處已處于厭氧狀態(tài)[9],0～1cm處上覆水中SO42-含量就高達(dá)242.0mg/L,0～4cm沉積物間隙水中SO42-含量分別為10,20,30,40,50mg/L,表現(xiàn)為隨深度增加其含量遞增的變化趨勢(shì),而同期對(duì)照樣中的含量分別為 108,104,102,105,80mg/L,表現(xiàn)為從上覆水體到深層沉積物中逐漸遞減的趨勢(shì).根據(jù)對(duì)照中 SO42-含量變化,可以看出加藻樣柱的上覆水體中 SO42-含量出現(xiàn)一個(gè)極高值,而在沉積物間隙水中反而是表層沉積物中含量較低.

圖3 第1階段水-沉積物界面處S2-、SO42-含量變化Fig.3 S2-、SO42-content changes in water-sediment interface duing the first stage

有研究發(fā)現(xiàn)小球藻可以快速轉(zhuǎn)運(yùn)SO42-至其細(xì)胞中[14],當(dāng)其細(xì)胞死亡、分解后可能釋放出大量的 SO42-于水體中,造成沉積物表層上覆水體中 SO42-含量快速增加;加藻后的沉積物間隙水中出現(xiàn)與對(duì)照樣相反的變化趨勢(shì),這種情況可能是因?yàn)樵寮?xì)胞沉降到表層沉積物快速消耗掉溶氧后造成其在厭氧條件下快速還原而產(chǎn)生無(wú)機(jī)態(tài)的S2-,受SO42-的濃度影響,在其含量增加、特別是在厭氧條件下可以顯著刺激SO42-的還原速率并能明顯改變沉積物中碳、氮、磷、鐵的環(huán)境地球化學(xué)行為[15];這與前面研究結(jié)果相同,也即在厭氧藻體分解過(guò)程中,沉積物間隙水中高價(jià)態(tài)鐵以低價(jià)態(tài) Fe2+離子形式并向上覆水體中擴(kuò)散(圖1、圖2).隨后沉積物及0～1cm沉積物表層上覆水中 SO42-含量開始表現(xiàn)出下降趨勢(shì),直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)均保持較低含量(圖4).

加入藻細(xì)胞第1d,0～1cm處沉積物表層上覆水中S2-含量在加入藻細(xì)胞后其含量高達(dá)387.57mg/L,在5cm以上沉積物間隙水中則表現(xiàn)為隨深度增加其含量升高.到實(shí)驗(yàn)第2d時(shí),沉積物表層上覆水和沉積物間隙水中S2-含量開始持續(xù)增加,間隙水中、特別是在2cm深的沉積物中S2-含量增加迅速,上覆水中含量增加至634.62mg/L,1～4cm深沉積物間隙水中的 S2-含量分別為 766.44,1088.75,251.86, 393.23mg/L,分別為同期對(duì)照樣中S2-含量的31倍、42倍、56倍、11倍、6倍.到實(shí)驗(yàn)的第3,4d,上覆水和沉積物間隙水中S2-都表現(xiàn)出下降趨勢(shì),0～1cm處沉積物上覆水中 S2-含量分別下降為 353.64, 291.44mg/L,而沉積物間隙水中 S2-含量都在105.0mg/L以下.

圖4 第2階段水-沉積物界面處S2-、SO42-含量變化Fig.4 S2-、SO42-content changes in water-sediment interface during the second stage

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第2階段(實(shí)驗(yàn)的第5～8d,圖4),上覆水體和沉積物間隙水中SO42-、S2-含量持續(xù)下降,同時(shí)沉積物中其他形態(tài)硫也轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硫并以 S2-形式向表層沉積物中擴(kuò)散[2,15].在加入藻體后形成的厭氧環(huán)境中,由于藻細(xì)胞殘?bào)w沉降后形成了大量的有機(jī)質(zhì)(以 CH2O表示),沉積物中的SO42-會(huì)出現(xiàn)如下反應(yīng)[2,16]:

大量的SO42-的還原產(chǎn)生大量的HS-,從而使得表層沉積物及水體中S2-含量增加[3],而且輸入的有機(jī)質(zhì)對(duì)黑水團(tuán)現(xiàn)象的發(fā)生程度及持續(xù)時(shí)間有很大的影響作用,也即在加入的藻體分解時(shí),藻體細(xì)胞輸入的有機(jī)質(zhì)含量高,對(duì) SO42-的還原及S2-的產(chǎn)生有較強(qiáng)的促進(jìn)作用,在實(shí)驗(yàn)后期 SO42-的含量下降;但厭氧環(huán)境中硫細(xì)菌活性增強(qiáng)[17],可以產(chǎn)生以 S2-形式為主的硫化物.Burton等[18]研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌還原作用下使得單獨(dú)以 Fe3+還原為主轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3+和SO42-共同還原為主,可以產(chǎn)生大量的Fe2+和S2-.在沉積物中重金屬與有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物及硫化物的結(jié)合是其主要結(jié)合形態(tài)[19],在厭氧環(huán)境中,沉積物中發(fā)生還原反應(yīng)后,部分重金屬有可能變成游離態(tài)從而提高了沉積物中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[15,19].

3 討論

在像太湖這樣風(fēng)浪擾動(dòng)強(qiáng)烈的大型淺水湖泊中[20-21],高溫季節(jié)大量藻華的出現(xiàn)已經(jīng)成為一種常見現(xiàn)象[22];而出現(xiàn)藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象則使得其對(duì)水體的污染產(chǎn)生了質(zhì)的變化.在太湖梅梁灣的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在 4月份就有藻細(xì)胞的大量聚集體出現(xiàn),其群體直徑可達(dá)到 30μm,其生物量常常超過(guò) 50mg/L[23],在適宜氣象條件時(shí)就可以形成藻華并在適宜地點(diǎn)聚集后而形成黑水團(tuán)現(xiàn)象[24].藻細(xì)胞在高溫下大量聚集后,在細(xì)胞的代謝作用及微生物活動(dòng)增強(qiáng)下,會(huì)很快消耗掉水體中的溶氧,從而造成水體和表層沉積物處于缺氧、甚至厭氧狀態(tài),使得沉積物表面出現(xiàn)一個(gè)從好氧到厭氧的快速轉(zhuǎn)變過(guò)程,對(duì)上覆水和表層沉積物中生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生極大的影響[25].

利用室內(nèi)模擬研究為快速、定量了解此種情況下沉積物間隙水和上覆水中相應(yīng)物質(zhì)循環(huán)變化的有效方法;本實(shí)驗(yàn)通過(guò)向沉積物表層上覆水體中加入 25.0g新鮮藻體模擬實(shí)際湖體發(fā)生嚴(yán)重藻華的現(xiàn)象[22],發(fā)現(xiàn)藻體沉降到沉積物表面后在50min內(nèi)就完全消耗掉水-沉積物界面處的溶氧,使得沉積物和上覆水體向厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變.藻細(xì)胞在沉積物表面沉降、死亡、分解過(guò)程中,水-沉積物界面處首先成為一個(gè)低溶氧、Eh值的強(qiáng)厭氧、還原環(huán)境(圖5).實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測(cè)得0～4cm處的沉積物中 Eh值分別為-150.47,-182.12, -184.2,-184.45,-186.49mV,遠(yuǎn)低于對(duì)照樣柱中的Eh值,表明藻細(xì)胞聚集處的水-沉積物系統(tǒng)處于強(qiáng)還原環(huán)境. 大量輸入的藻體細(xì)胞也帶來(lái)了豐富的有機(jī)質(zhì),為在厭氧條件下厭氧菌的活性增強(qiáng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ),從而使得沉積物中高價(jià)態(tài)的鐵和硫酸根產(chǎn)生快速還原反應(yīng),以Fe2+和S2-離子形式向上覆水中擴(kuò)散;向上擴(kuò)散的間隙水也阻止了向下擴(kuò)散的溶氧;產(chǎn)生的自由S2-離子是一種對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用的物質(zhì),在有機(jī)質(zhì)的厭氧礦化過(guò)程中較高含量的 S2-也造成了沉積物表面微型生物的減少[26],厭氧環(huán)境也使得底棲生物活性喪失,減少了因生物擾動(dòng)而產(chǎn)生的水流或空氣流[27],使得 Fe-P產(chǎn)生解析反應(yīng);同時(shí)沉積物中較高含量的 S2-也會(huì)促使沉積物中 Fe-P的溶解[28],使得間隙水中PO43-- P濃度快速增加(圖1和圖2). 0～1cm處上覆水和沉積物不同深度處間隙水中 Fe2+、S2-含量的快速增加,也表明此時(shí)沉積物中正發(fā)生著劇烈的氧化還原反應(yīng)和有機(jī)質(zhì)的礦化[15].對(duì)于在產(chǎn)生黑水團(tuán)現(xiàn)象下有機(jī)質(zhì)的礦化和沉積物表面微型生物及微型藻類的變化,需要做進(jìn)一步的研究,才能給出明確的證據(jù).

沉積物間隙水和表層上覆水中 S2-含量在實(shí)驗(yàn)的1～3d含量快速增加,從第3d到第7d呈下降趨勢(shì),但到了實(shí)驗(yàn)的末期,也就是實(shí)驗(yàn)的第 8d,其含量又表現(xiàn)出增加的趨勢(shì).沉積物間隙水中的SO42-一直為下降趨勢(shì),這有可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初期較高含量的 S2-含抑制硫細(xì)菌的活性從而阻礙了SO42-的快速還原[29].研究發(fā)現(xiàn),當(dāng) S2-濃度＞20mmol時(shí),將會(huì)抑制SO42-的還原[28],而在本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第2d時(shí),S2-濃度超過(guò)20mmol,隨后SO42-和S2-的濃度都表現(xiàn)為快速下降的趨勢(shì)(圖1、圖2),這與其研究結(jié)果類似.同時(shí),金屬離子和 S2-向上覆水體中擴(kuò)散時(shí),在沉積物表面會(huì)發(fā)生化合反應(yīng)形成黑色金屬硫化物,并在沉積物表面形成沉淀(數(shù)據(jù)待發(fā)表),這也是藻源性黑水團(tuán)或黑臭現(xiàn)象出現(xiàn)后,水體發(fā)黑的原因.

圖5 沉積物不同深度處氧化還原電位值Fig.5 Redox potential changes in sediment depth

4 結(jié)論

4.1 藻體細(xì)胞大量聚集在沉積物表面后,在較高溫度作用下,很快消耗掉水體中的溶氧,使得水～沉積物從有氧向厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變,水～沉積物界面處的氧化還原電位值從對(duì)照組的200mV下降為～180mV,呈現(xiàn)強(qiáng)還原環(huán)境.

4.2 厭氧、強(qiáng)還原條件下大量鐵氧化物還原為低價(jià)態(tài);在還原環(huán)境中 Fe-P出現(xiàn)解析,使得沉積物中無(wú)機(jī)磷以PO43--P形式從間隙水中向上覆水體中擴(kuò)散,造成水-沉積物界面處的 Fe2+、S2-、SO42-和 PO43--P含量分別從 2.71,20.58,108.00, 0.09mg/L變化為 4.99,291.44,37,4.49mg/L;在藻細(xì)胞死亡分解后,不但引起強(qiáng)還原環(huán)境,使得水體中S2含量急劇升高,且釋放大量營(yíng)養(yǎng)鹽于水體后,加重了上覆水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度.

4.3 藻源性黑水團(tuán)現(xiàn)象出現(xiàn)后,由沉積物向上覆水體中釋放大量S2-并以H2S的形式逸散到水體中;黑水團(tuán)產(chǎn)生區(qū)形成的厭氧、強(qiáng)還原環(huán)境,沉積物中重金屬等有害物質(zhì)也存在釋放到水體中的風(fēng)險(xiǎn),從而對(duì)水體生態(tài)環(huán)境造成危害;黑水團(tuán)形

成后,水體溶氧一般在短期內(nèi)很難恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài),對(duì)構(gòu)建健康的水體生態(tài)系統(tǒng)更是造成了阻礙.

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Environment effects of algae-caused black spots Ⅲ: Impacts on Fe- S- P cycle in water-sediment interface.

LIU

Guo-feng1,2,3, FAN Cheng-xin2*, ZHANG Lei2, SHEN Qiu-shi2, WANG Zhao-de2, HAN Shi-qun3**(1.Freshwater Fisheries Research Center, Chinese Academy of Fishery Sciences, Wuxi 214081, China；2.State Key Laboratory of Lake and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；3.Institute of Agricultural Resource and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Science, Nanjing 210014, China). China Environmental Science, 2014,34(12)：3199～3206

The process of biogeochemical cycle change of Fe-S-P in overlying water, sediment pore water was studied in a laboratory using a static simulating device which simulated the algae- caused black-spots. Drastic biogeochemical changes of Fe-S-P happened in an anaerobic and reducing sediment environment after algae cells were added. Concentration of Fe2+, SO42-and S2-in interface of sediment-water was 4.993, 242.0, 387.57mg/L, respectively at 1st day after algae cells added, and it was the 1.8, 2.2and 18.8times higher than the contrast experiments in the same period; and the concentration of Fe2+, SO42-and S2-was 8.5mg/L, 40.0mg/L and 65.3mg/L, respectively in 4cm deep sediments. Then, Fe2+and S2-concentration in overlying water showed a rapid increase and followed a falling trend, and its concentration reached maximum at the 2nd and 3rd day, value of 11.1mg/L and 634.6mg/L. Concentration of PO43--P in sediment increased slowly due to Fe-P desorption, and its content increased continuously from the 2nd day until the end of experiment. After adding algae cells, the concentration reached 39.450mg/L which was 242times higher than the control experiment; and also up to 10.74mg/L in 4cm deep sediment. The rapid changes of Fe-S-P indicated biogeochemical reaction in an anaerobic and reducing sediment environment after algae cells were added, and caused the Fe2+, S2-and PO43--P to diffuse into the overlying water. The algae-caused black-spot posed huge difficulties to the restoration of water ecosystems.

black spots；water-sediment interface；Fe-S-P cycle；environment effects

X142

A

1000-6923(2014)12-3199-08

劉國(guó)鋒(1979-),男,河南人,博士,副研究員,主要從事水環(huán)境污染生態(tài)治理研究.發(fā)表10篇論文.

2014-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(41101525);江蘇省自主創(chuàng)新資金(CX(12)5057);國(guó)家重大科技專項(xiàng)巢湖水專項(xiàng)(2012ZX07103-005) * 責(zé)任作者, 范成新, 研究員, cxfan@niglas.ac.cn

** 責(zé)任作者, 韓士群, 研究員, shqunh@126.com