Impact of contaminated sediment elutriate on coastal phytoplankton community (Thau lagoon, Mediterranean Sea, France)

污染沉積物淋溶物對沿海浮游植物群落的影響

來源：Journal of Experimental Marine Biology and Ecology 486 (2017) 1–12

 

論文摘要

本論文摘要指出，海洋沉積物是污染物的匯，其再懸浮會(huì)將污染物和營養(yǎng)鹽釋放到水柱中，影響水體生物。本研究旨在評估從污染沉積物中釋放的污染物和氮對浮游植物群落的影響。研究在法國地中海Thau lagoon和一個(gè)近海參照站進(jìn)行，通過室外微宇宙實(shí)驗(yàn)，將浮游植物群落暴露于沉積物浸出液（富含金屬、有機(jī)化學(xué)品和營養(yǎng)鹽）或僅添加銨鹽（作為對照）中培養(yǎng)四天。結(jié)果表明，在潟湖站，兩種處理均刺激了浮游植物生長；而在近海站，只有沉積物浸出液具有刺激作用。兩個(gè)站點(diǎn)的處理均引起了浮游植物群落分類組成的轉(zhuǎn)變，沉積物浸出液的添加導(dǎo)致了潛在有毒硅藻和甲藻的增殖。對應(yīng)分析表明，近海站的浮游植物對兩種處理的敏感性高于潟湖群落。根據(jù)代謝平衡，潟湖群落在所有處理下均保持異養(yǎng)狀態(tài)（P < R），而近海群落僅出現(xiàn)短暫的凈自養(yǎng)（P > R）。沉積物釋放污染物的直接毒性（如果存在）被營養(yǎng)鹽富集的效應(yīng)所掩蓋，而群落組成和代謝的變化則間接證明了污染物壓力的存在。

研究目的

本研究的主要目的包括：

 

區(qū)分污染與營養(yǎng)效應(yīng)：評估在沉積物再懸浮事件中，污染物（如重金屬、PAHs、PCBs）和營養(yǎng)鹽（特別是銨鹽）對浮游植物群落的相對影響，是毒性抑制還是營養(yǎng)刺激占主導(dǎo)地位。

比較不同生境群落的響應(yīng)：探究預(yù)先暴露于污染環(huán)境的潟湖浮游植物群落與相對清潔的近海參照點(diǎn)群落對沉積物浸出液脅迫的響應(yīng)差異，以評估環(huán)境歷史對群落耐受性的影響。

評估多層級效應(yīng)：在功能（總初級生產(chǎn)GPP、群落呼吸Rdark、代謝平衡P:R）和結(jié)構(gòu)（物種組成、豐度、多樣性）兩個(gè)層面上，全面揭示沉積物浸出液對浮游植物群落的綜合影響。

 

識(shí)別敏感物種與有益物種：確定在污染物和營養(yǎng)鹽共同脅迫下，哪些浮游植物類群或物種會(huì)衰退（敏感種），哪些會(huì)繁榮（耐污種或機(jī)會(huì)種），特別是潛在有毒有害藻類的響應(yīng)。

 

研究思路

本研究采用了“野外采樣 - 可控微宇宙實(shí)驗(yàn) - 多指標(biāo)分析”的系統(tǒng)思路：

 

樣品采集與浸出液制備：從Thau潟湖的污染區(qū)域（Eaux Blanches bay）采集沉積物和海水。通過攪拌、沉淀、過濾制備沉積物浸出液，其中包含溶解態(tài)的污染物和營養(yǎng)鹽，但去除了原生微生物。同時(shí)，從潟湖站（L，預(yù)暴露群落）和近海站（O，參照群落）采集80μm過濾后的海水作為浮游植物接種體。

微宇宙實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：設(shè)置三種處理：（E）添加沉積物浸出液；（N）添加等量銨鹽（模擬浸出液中的營養(yǎng)效應(yīng)）；（C）對照組（只添加過濾海水）。每種處理設(shè)三個(gè)重復(fù)，在5升玻璃瓶中進(jìn)行96小時(shí)培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)在室外自然光溫條件下進(jìn)行，以模擬真實(shí)環(huán)境。

多維度指標(biāo)測量：

 

化學(xué)分析：測定浸出液和沉積物中的污染物（重金屬、PAHs、PCBs）和營養(yǎng)鹽（銨鹽）濃度，并與已知的沉積物質(zhì)量指南（如ERL, ERM）和水質(zhì)基準(zhǔn)（如HC5）進(jìn)行比較，評估其污染程度和潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

 

生物響應(yīng)監(jiān)測：在實(shí)驗(yàn)過程中（0, 24, 48, 72, 96小時(shí)）定期采樣，測量葉綠素a濃度（代表生物量）、浮游植物豐度和物種組成（顯微鏡鑒定計(jì)數(shù)）、總初級生產(chǎn)（GPP）和群落暗呼吸（Rdark）（使用丹麥Unisense氧微電極測量）。

 

數(shù)據(jù)分析：通過方差分析（ANOVA）比較不同處理和時(shí)間的差異，通過香農(nóng)指數(shù)和對應(yīng)分析（CA）研究群落多樣性和結(jié)構(gòu)的變化，從而綜合判斷沉積物浸出液的影響。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

研究測量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來源如下（數(shù)據(jù)均引用自文檔中的圖表和正文描述）：

 

污染物與營養(yǎng)鹽濃度（評估浸出液的化學(xué)組成與潛在風(fēng)險(xiǎn)）

 

測量指標(biāo)：沉積物和浸出液中的多環(huán)芳烴（PAHs）、多氯聯(lián)苯（PCBs）、重金屬（如Cu, Pb, Cd, Zn等）和銨鹽（NH??）的濃度。

研究意義：表1的數(shù)據(jù)顯示，沉積物中PAHs和某些重金屬（如Cu）的濃度介于效應(yīng)范圍低值（ERL）和效應(yīng)范圍中值（ERM）之間，表明存在中度污染。而浸出液中重金屬被檢出，但PAHs和PCBs低于檢測限，銨鹽濃度很高（21.8 μM）。這確定了浸出液的主要成分為重金屬和銨鹽，是解釋生物效應(yīng)（營養(yǎng)刺激 vs. 毒性）的化學(xué)基礎(chǔ)。與水質(zhì)基準(zhǔn)（HC5）對比顯示，單一污染物濃度未達(dá)直接毒性水平，但混合效應(yīng)未知。

 

數(shù)據(jù)來源：表1及正文中關(guān)于化學(xué)分析的描述。

 

葉綠素a濃度（反映浮游植物總生物量的變化）

 

測量指標(biāo)：整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中各處理組葉綠素a濃度的時(shí)間序列變化。

研究意義：圖2A和2B清晰顯示，在潟湖站，E（浸出液）和N（加銨）處理均顯著促進(jìn)了葉綠素a的增加（尤其后期），且兩者效果無顯著差異。在近海站，只有E處理顯著刺激了葉綠素a增長，N處理無效。這直接證明：在潟湖，營養(yǎng)鹽（銨）是主要限制因子和刺激因子；在近海，浸出液中的某種成分（非銨，可能是微量元素）解除了限制，刺激了生長。污染物（重金屬）的直接毒性效應(yīng)被營養(yǎng)鹽的刺激效應(yīng)所掩蓋。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2A （潟湖站）， 圖2B （近海站）。

 

浮游植物群落組成（揭示群落結(jié)構(gòu)演變和物種特異性響應(yīng)）

 

測量指標(biāo)：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)和96小時(shí)后，各處理組中不同浮游植物門類（硅藻、甲藻、定鞭藻等）和關(guān)鍵物種的相對豐度。

研究意義：圖3A, 3B和 表2, 表3, 表4表明，處理顯著改變了群落結(jié)構(gòu)。特別值得注意的是，在E處理下，潛在有毒的硅藻（偽菱形藻 Pseudo-nitzschia spp.)和甲藻（亞歷山大藻 Alexandrium sp.)的相對豐度增加。這提供了污染物施加“間接壓力”的證據(jù)，即耐污染的、可能有害的物種在資源競爭中獲得優(yōu)勢，導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)惡化。對應(yīng)分析（圖4）進(jìn)一步證實(shí)了近海站群落對處理響應(yīng)更敏感，變化更大。

 

 

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖3A, 3B， 表2 （硅藻）， 表3 （甲藻）， 表4 （其他類群）， 圖4 （對應(yīng)分析）。

 

群落代謝速率（刻畫系統(tǒng)的功能狀態(tài)和能量平衡）

 

測量指標(biāo)：總初級生產(chǎn)（GPP）、暗呼吸（Rdark），并據(jù)此計(jì)算凈生產(chǎn)（NP）和生產(chǎn)與呼吸之比（P:R）。

研究意義：圖5A, B顯示了GPP的變化，圖6A, B顯示了Rdark的變化。數(shù)據(jù)顯示，在近海站，E處理顯著刺激了GPP和Rdark。更重要的是，圖6C, D的NP表明，兩個(gè)站點(diǎn)的群落整體上處于異養(yǎng)狀態(tài)（NP < 0），但近海站的對照和加銨處理在短期內(nèi)出現(xiàn)了凈自養(yǎng)（NP > 0），而E處理下則持續(xù)異養(yǎng)。這表明沉積物浸出液在促進(jìn)生產(chǎn)的同時(shí)，可能通過刺激異養(yǎng)細(xì)菌等活動(dòng)，更大程度地增強(qiáng)了呼吸作用，使系統(tǒng)能量平衡傾向于異養(yǎng)，這可能影響碳循環(huán)。

 

 

 

數(shù)據(jù)來源：圖5A, B （GPP）， 圖6A, B （Rdark）， 圖6C, D （NP）。正文中表5提供了統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性結(jié)果。

 

研究結(jié)論

 

營養(yǎng)鹽效應(yīng)主導(dǎo)生長響應(yīng)，掩蓋直接毒性：沉積物浸出液對浮游植物生物量（葉綠素a）的刺激作用主要?dú)w因于其中富含的銨鹽。在營養(yǎng)限制的潟湖，加銨與加浸出液效果相當(dāng)；在近海，浸出液中的微量元素可能解除了其他限制。沒有觀察到明顯的直接毒性抑制效應(yīng)，說明在此暴露濃度下，營養(yǎng)鹽的正面效應(yīng)超過了污染物的潛在毒性。

污染物壓力導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)惡化：盡管總生物量增加，但沉積物浸出液顯著改變了浮游植物群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致潛在有毒有害藻類（如偽菱形藻、亞歷山大藻）的相對豐度上升。這表明污染物施加了一種“選擇壓力”，使耐污染的、可能對生態(tài)系統(tǒng)健康有害的物種占據(jù)優(yōu)勢，這是一種重要的間接生態(tài)效應(yīng)。

近海群落對脅迫更敏感：與長期暴露于污染的潟湖群落相比，近海參照點(diǎn)的浮游植物群落對沉積物浸出液和營養(yǎng)鹽添加的響應(yīng)更劇烈，表現(xiàn)在群落結(jié)構(gòu)變化更大，多樣性指數(shù)降低更明顯。這支持了“預(yù)暴露產(chǎn)生耐受性”的假設(shè)。

 

代謝平衡向異養(yǎng)狀態(tài)偏移：沉積物浸出液的添加雖然能刺激初級生產(chǎn)，但同時(shí)更大程度地刺激了群落呼吸，導(dǎo)致系統(tǒng)凈異養(yǎng)狀態(tài)加強(qiáng)或凈自養(yǎng)狀態(tài)減弱。這表明沉積物再懸浮事件可能通過改變浮游生物群落的代謝平衡，影響生態(tài)系統(tǒng)的碳匯/源功能。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense氧微電極是精確定量浮游植物群落代謝功能的關(guān)鍵工具，其研究意義體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

 

實(shí)現(xiàn)了對微生物代謝速率的原位、高精度測量：Unisense微電極能夠?qū)崟r(shí)、高分辨率地測量小型培養(yǎng)瓶（30 mL）中溶解氧的微小變化。通過“明暗瓶”法（光照下測凈初級生產(chǎn)NPP，黑暗中測群落呼吸Rdark），可以直接計(jì)算出總初級生產(chǎn)GPP（= NPP + Rlight，假設(shè)Rlight = 3Rdark）。這種方法的靈敏度極高，能夠檢測出μmol O? L?1 h?1級別的代謝速率變化，這對于揭示不同處理（E, N, C）之間細(xì)微的代謝差異至關(guān)重要。

提供了區(qū)分自養(yǎng)與異養(yǎng)過程的可靠數(shù)據(jù)：通過同步測量GPP和Rdark，并計(jì)算P:R比率，Unisense電極提供的數(shù)據(jù)直接揭示了整個(gè)浮游生物群落（包括浮游植物、細(xì)菌等）的能量平衡狀態(tài)。本研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)之一——系統(tǒng)在沉積物浸出液添加下傾向于更強(qiáng)的異養(yǎng)狀態(tài)——完全依賴于該技術(shù)提供的精確代謝通量數(shù)據(jù)。沒有這種直接測量，僅憑生物量或種類組成變化無法推斷出系統(tǒng)的整體代謝功能變化。

揭示了污染物對群落功能的潛在影響：雖然葉綠素a數(shù)據(jù)表明生長被刺激，但Unisense測量到的比活性（GPP/Chl a）數(shù)據(jù)（圖5C, D）提供了更深層次的信息。例如，在近海站，E處理下的比活性在短期內(nèi)低于對照和加銨處理，暗示浸出液中的污染物可能對浮游植物的光合作用效率產(chǎn)生了短暫的脅迫，即使最終生物量因營養(yǎng)鹽補(bǔ)充而增加。這種生理水平的響應(yīng)只有通過高精度的代謝測量才能捕捉到。

支撐了“間接效應(yīng)”的機(jī)理解釋：研究發(fā)現(xiàn)E處理下呼吸作用（Rdark）顯著增強(qiáng)（圖6A, B），這很可能源于浸出液中的有機(jī)物或營養(yǎng)鹽刺激了異養(yǎng)細(xì)菌的生長和代謝。Unisense測量的呼吸速率數(shù)據(jù)為“污染物通過改變微生物食物網(wǎng)間接影響生態(tài)系統(tǒng)功能”這一機(jī)理提供了直接證據(jù)。它表明，評估沉積物再懸浮的影響，不能只看初級生產(chǎn)者，必須考慮整個(gè)微生物環(huán)的響應(yīng)。

 

確保了實(shí)驗(yàn)的可靠性與可比性：在微宇宙實(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)瓶體積小，氧濃度的變化快速而微小。Unisense微電極的快速響應(yīng)時(shí)間和低耗氧特性使其非常適合此類研究，避免了傳統(tǒng) Winkler 滴定法可能因取樣、固定帶來的誤差和時(shí)間滯后，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和不同處理間的高度可比性。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極在本研究中扮演了“群落代謝哨兵”的角色。它提供的精確、實(shí)時(shí)的氧氣通量數(shù)據(jù)，將研究從靜態(tài)的“群落結(jié)構(gòu)”描述，推進(jìn)到了動(dòng)態(tài)的“群落功能”解析層面。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，是成功揭示沉積物浸出液在刺激生長表象之下，所引發(fā)的群落結(jié)構(gòu)劣化（有害藻類增生）和功能失衡（異養(yǎng)增強(qiáng)）這一復(fù)雜生態(tài)效應(yīng)的關(guān)鍵所在。沒有這項(xiàng)技術(shù)，對生態(tài)系統(tǒng)功能影響的評估將缺乏最核心的定量依據(jù)。