Biogeochemical Processes and Microbial Dynamics Governing Phosphorus Retention and Release in Sediments: A Case Study in Lower Great Lakes Headwaters  

沉積物中控制磷滯留與釋放的生物地球化學過程及微生物動態：以五大湖下游源頭水域為例  

來源：Environmental Management, Volume 72, 2023, Pages 932–944  

《環境管理》第72卷，2023年，932–944頁

 

摘要內容

 

研究針對加拿大安大略省南部三大源頭水域（Big Creek無機肥影響區、Nissouri Creek糞肥影響區、Saugeen River森林參考區），通過2018-2020年生長季采樣，結合歷史水質數據（2000-2020年）、沉積物磷平衡濃度（EPC?）測定、原位氧化還原微剖面（丹麥Unisense電極）和微生物群落分析，揭示沉積物磷滯留/釋放機制。結果表明：  

沉積物總體為磷匯：75%樣本表現為磷匯（SRP > EPC? +20%），但農業區EPC?顯著高于參考區（圖2）。  

 

 

 

懸浮沉積物是關鍵磷源：Big Creek懸浮沉積物EPC?高達1.9 mg/L（2020年），是底泥的200倍，表明細顆粒物是重要內源磷釋放載體（圖2）。  

 

氧化還原驅動釋放：Nissouri Creek在2019年春季中期的快速缺氧事件（DO消耗速率-158.4 μmol/L/mm）伴隨底泥EPC?激增（SRP的246%），與沉積物ORP最低值（-110 mV）和反硝化菌（Dechloromonas等）及氨氧化古菌（Candidatus Nitrosocosmicus）增殖相關（圖3, 4）。  

 

 

 

 

微生物標志物：擬桿菌門（Bacteroidia）在磷匯沉積物中顯著富集（圖5），而反硝化菌和AOA可作為磷釋放事件的生物標志物。  

 

 

研究目的

量化源頭水域沉積物對磷的緩沖能力（匯/源狀態）。  

 

揭示沉積物磷釋放與氧化還原梯度、微生物群落的關聯機制。  

 

評估農業活動（無機肥 vs 糞肥）對沉積物磷循環的影響差異。  

 

研究思路

站點選擇與歷史數據分析：  

 

基于安省水質監測網絡（PWQMN）2000-2020年數據，分析TP/TN長期趨勢（圖1）。  

 

季節性采樣設計：  

 

生長季采集底泥、懸浮沉積物（Phillips管式采樣器）及水體，測定SRP、TP、TN、TSS等（圖2）。  

關鍵參數測量：  

 

EPC?測定：通過吸附等溫線實驗量化沉積物磷匯/源狀態（方法部分）。  

 

原位微剖面：Unisense微電極測量沉積物-水界面（SWI）的DO/ORP垂直梯度（圖3）。  

 

微生物群落：16S rRNA測序分析底泥微生物組成（圖4）。  

多變量關聯分析：  

 

整合水質、沉積物EPC?、氧化還原速率、微生物數據，通過Spearman檢驗識別關鍵驅動因子（表1）。  

 

測量數據及研究意義

歷史水質數據（圖1）  

 

數據：Big Creek總磷（TP）長期偏高（峰值>0.4 mg/L），Nissouri Creek總氮（TN）顯著高于其他站點（>3 mg/L）。  

 

意義：證實農業活動導致長期營養鹽累積，為沉積物磷飽和提供背景依據。  

沉積物EPC?（圖2）  

 

數據：  

 

Big Creek懸浮沉積物EPC?在2020年達1.9 mg/L（磷源狀態），底泥EPC?僅0.08 mg/L。  

 

Nissouri Creek底泥在2019年春季中期EPC?=0.039 mg/L（SRP的246%）。  

 

意義：揭示懸浮沉積物是農業區重要磷源，且糞肥影響區底泥在缺氧事件中釋放風險更高。  

氧化還原微剖面（圖3）  

 

數據：  

 

Nissouri Creek在2019年春季中期DO消耗速率-158.4 μmol/L/mm，ORP最低值-110 mV。  

 

平均DO消耗速率：BC=-56.4, NC=-76.2, SR=-38.3 μmol/L/mm。  

 

意義：量化SWI缺氧程度，直接關聯鐵/錳氧化物還原溶解導致的磷釋放。  

微生物群落（圖4, 5）  

 

數據：  

 

Nissouri Creek磷釋放事件中，反硝化菌（Dechloromonas, Rhodoferax）和AOA（Candidatus Nitrosocosmicus）顯著富集。  

 

擬桿菌門（Bacteroidia）在磷匯沉積物中豐度更高（LEfSe p=0.001）。  

 

意義：建立微生物類群（反硝化菌/AOA）與沉積物磷釋放的指示關系。  

 

結論

沉積物總體為磷匯：75%樣本表現為磷滯留，但農業區緩沖能力弱于森林參考區。  

 

關鍵釋放機制：  

 

Big Creek（無機肥影響）：高粘土含量導致懸浮沉積物磷飽和（EPC?達1.9 mg/L），是主要內源磷源。  

 

Nissouri Creek（糞肥影響）：快速缺氧（DO消耗速率-158 μmol/L/mm）觸發底泥磷釋放，伴隨反硝化菌和AOA增殖。  

微生物指示作用：  

 

擬桿菌門（Bacteroidia）是磷匯沉積物的生物標志物。  

 

反硝化菌和AOA可作為沉積物磷釋放事件的早期指標。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense OX-100（DO）和RD-100（ORP）微電極（尖端100μm），結合Field Microsensor Multimeter（FMM）系統測量沉積物微剖面：  

缺氧事件的精確捕捉：  

 

數據：Nissouri Creek在2019年春季中期DO在SWI處驟降（速率-158.4 μmol/L/mm），2 mm深度即達缺氧狀態（<0.3 μM）。  

 

意義：直接量化沉積物耗氧強度，解釋該時段底泥EPC?激增（246%）的主因——缺氧導致鐵結合態磷還原性溶解。  

氧化還原梯度的空間對比：  

 

數據：農業站點（BC/NC）平均DO消耗速率（-56.4至-76.2 μmol/L/mm）顯著高于森林參考區（SR: -38.3 μmol/L/mm）。  

 

意義：揭示農業活動通過有機質輸入加速沉積物耗氧，增加磷釋放風險，為管理措施（如減少有機肥輸入）提供依據。  

ORP閾值關聯磷形態：  

 

數據：NC站點ORP最低值達-110 mV（對應Fe3?/Fe2?還原電位-100至+100 mV）。  

 

意義：證實沉積物處于鐵還原窗口，驗證了該站點高含量可還原態磷（Fe-P）的釋放敏感性（討論部分）。  

 

核心價值：Unisense微電極實現了毫米級分辨率原位測量，將沉積物氧化還原動態與磷釋放事件、微生物過程（如反硝化）直接耦合，突破了傳統離散采樣局限，為沉積物-水界面生物地球化學過程提供了高精度實證。