富营养化浅水湖泊颗粒态有机质(POM)的降解转化机制及其产物的生物可利用性

As a central carrier of the organic matter decomposition and nutrient regeneration in water, particulate organic matter (POM) is an important bioavailable nutritional source, which degradation products may have a major impact to the extent and cycles of the bloom. In shallow lakes, both photochemical degradation and bacterial degradation of POM should reveal biogeochemical cycles of shallow lakes. Using advanced technology means of POM-DOM PARAFAC-EEM model and amino acids quantitative indicators, this project will study POM degradation mechanism and bioavailability, and sought to answer following science problems: 1) What relations are there between sources, compositions and degradation mechanism of POM and outbreak, death and nutrition supply of cyanobacteria blooms in shallow water lake? 2) How the way and type differences of POM degradation will have an impact on bioavailability of the degradation product? Through these studies, we can provide the scientific basis of the relationship between the eutrophication blooms and the biogeochemical cycles of POM in shallow lakes.

作为水体中有机质分解与营养盐再生的核心载体之一，颗粒态有机质（POM）是一个潜在的可以被生物利用的重要营养源，其降解产物可能对水华的暴发程度和周期产生重要的影响。在浅水湖泊，POM的光化学降解和细菌降解同时存在并共同影响，这种异于海洋及深水湖泊的降解机制可能是揭示浅水湖泊生物地球化学循环的关键之一。本项目利用POM-DOM PARAFAC三维荧光模型以及氨基酸量化指标相结合的技术手段，以POM的降解机制为切入点，对降解产物的生物可利用性进行定量表征，并力图回答以下科学问题：1）在蓝藻水华频发的富营养化浅水湖泊，POM的来源、组成、降解机制与蓝藻水华的暴发、死亡、短时间尺度上的营养供给之间的联系如何？2）不同类型POM降解方式存在差异，那么差异的存在对降解产物的生物可利用性产生何种影响？通过上述研究的开展，为揭示富营养化浅水湖泊中POM的生物地球化学循环和与水华暴发之间的关系提供科学依据。

研究结果表明：1）POM和DOM荧光特征及氨基酸组分特征均存在着显著差异，且POM组分特征的时空变异性明显大于DOM。两种形态OM有着截然不同的来源、产生及消除路径。2）基于氨基酸组分特征的降解指数DI值适用于太湖OM生物可利用性的表征。POM的DI均值与藻浆的DI值非常接近，且其不同季节DI值的排序为：夏季＞春季＞秋季＞冬季，排序与孔繁翔等提出的蓝藻复苏四阶段理论有着很好的契合关系，即POM的生物可利用性与其所含浮游植物生物量多少及其新鲜程度相关。DOM的DI值均为负值，表明相对于POM，DOM已被充分降解，生物可利用性较低。3）草源、藻源两种PDOM组分构成上存在显著差异，藻源以类色氨酸组分为主,而草源则以类酪氨酸组分为主。经过细菌的降解利用，草、藻来源的PDOM类蛋白荧光强度都迅速减弱，藻源性溶解物质相对容易被细菌降解利用，在2天之内就能降解约70%，而草源性DOM的降解速率则较低。4）藻源POM降解与光照有显著的关系，无光条件下的分解量远大于自然光照组。即使没有外源营养盐输入，光照组中藻源POM降解释放出的营养物质仍然可以支撑藻类繁殖生长期间的营养需求。给出了蓝藻降解过程中各氮素形态转化的概念模型，清晰的概化出有光和无光条件下藻源颗粒态有机质的降解转化机制。5）低剂量的氮素添加可促进沉水植被的生长，而高剂量的氮素则对沉水植被产生毒害作用，氮素的添加主要通过对沉水植被的影响而间接改变表层沉积物来源有机质的组分特征，即沉水植被的存在与否对沉积物来源有机质在水-沉积物界面的释放、迁移及转化规律起着不可忽视的作用。6）藻型区沉积物来源的OM经过自然光辐照后，释放了大量的溶解态有机质。与黑暗对照相比，自然光照射显著提高了POM的转化率。但两种处理在PDOM的组分构成上并没有体现出显著差异。