海洋所在揭示海洋藻華在沉積物-海水界面砷釋放作用機(jī)制方面取得新突破
近日,中國科學(xué)院海洋研究所宋金明研究團(tuán)隊(duì)在揭示海洋藻類爆發(fā)通過加強(qiáng)微生物調(diào)控作用誘導(dǎo)沉積物-海水界面砷(As)的釋放機(jī)制解析上獲得新認(rèn)識,量化了長江口每年藻類爆發(fā)時(shí)期可能觸發(fā)的沉積物As的釋放通量,對于評估重金屬As的海洋生態(tài)效應(yīng)具有重要科學(xué)價(jià)值。相關(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊(Nature Index) Water Research(IF=12.3)。
近年來,近海和河口富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重,富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類爆發(fā)已嚴(yán)重影響到海洋元素生物地球化學(xué)循環(huán)過程。重金屬砷對水生生物具有急性和慢性毒性效應(yīng),其毒性會隨還原形態(tài)的增加而加劇。藻類爆發(fā)引發(fā)的大量有機(jī)質(zhì)降解會通過改變底層水體氧化還原條件刺激沉積物-水界面As(V)的還原,加劇沉積物中砷的釋放,從而對海洋環(huán)境構(gòu)成污染風(fēng)險(xiǎn)。然而,關(guān)于富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類爆發(fā)對沉積砷循環(huán)的驅(qū)動機(jī)制和對水體的貢獻(xiàn)尚不清楚。
宋金明研究團(tuán)隊(duì)以我國典型藻類爆發(fā)高頻區(qū)長江口鄰近海域?yàn)檠芯繉ο?,基于藻類爆發(fā)高峰期生物量,提出富營養(yǎng)化可導(dǎo)致沉積物-水界面砷釋放的三個(gè)過程,通過藻類添加培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),研究了不同藻類生物量下沉積物-水界面體系中上覆水、間隙水和固相沉積物中砷形態(tài)的剖面和時(shí)間變化,結(jié)合砷相關(guān)功能基因,揭示了藻類降解過程中沉積物-水界面砷的釋放機(jī)制(圖1)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),高生物量藻類添加組中溶解總砷濃度的增加率顯著高于實(shí)驗(yàn)對照組,且藻類添加組中沉積物-水界面的累積溶解總砷擴(kuò)散通量是實(shí)驗(yàn)對照組的約7倍(圖2),藻類降解顯著增加了沉積砷的釋放。沉積物砷的快速釋放發(fā)生在有機(jī)質(zhì)的快速好氧礦化階段;在有機(jī)質(zhì)快速降解階段之后,砷的釋放得以維持。所有實(shí)驗(yàn)組的固相活性形態(tài)都以As(V)為主要存在形態(tài);而在間隙水中,As(III)和As(V)分別是有機(jī)物最初的快速降解階段和隨后的緩慢降解階段的主要溶解總砷形態(tài),微生物的As(V)還原和Fe(III)還原分別為這兩個(gè)階段的主控因素。培養(yǎng)結(jié)束后,藻類添加組中異化As(V)還原菌arrA基因豐度相對于實(shí)驗(yàn)對照組顯著增加,而異化Fe(III)還原菌Geobacter豐度并沒有相應(yīng)增加,說明藻類添加對砷釋放的影響大于對鐵的影響,且微生物還原而不是物理化學(xué)過程是驅(qū)動藻類添加組沉積物砷釋放的主要途徑。根據(jù)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)砷的擴(kuò)散通量估算得出長江口夏季藻類爆發(fā)階段可導(dǎo)致1440 kg沉積砷釋放到上覆水中。
該研究闡明了富營養(yǎng)化在促進(jìn)沉積物-水界面As釋放中的作用,提出了不同于傳統(tǒng)地球化學(xué)主控的藻類爆發(fā)下微生物還原主控沉積物-水界面As遷移釋放的新論點(diǎn),對沉積物-水界面As的釋放和機(jī)制過程有新的認(rèn)識,這對評估砷的海洋生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。
論文第一作者為段麗琴研究員,研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省基金等項(xiàng)目支持。
相關(guān)論文和鏈接:
Liqin Duan, Jinming Song, Yuting Zhang, Huamao Yuan, Xuegang Li, Lingling Sun, 2023. Role of marine algal blooms in the release of arsenic at the sediment-seawater interface: evidence from microcosm experiments. Water Research 244, 120508 (https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120508)

圖1 藻類添加培養(yǎng)中上覆水/間隙水中As及相關(guān)功能基因豐度的變化

圖2 不同條件下沉積物-水界面的As擴(kuò)散通量
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