Biodegradation of labile dissolved organic carbon under losing and gaining streamflow conditions simulated in a laboratory flume

實(shí)驗(yàn)室水槽模擬的流失和增益水流條件下不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳的生物降解

來(lái)源 Limnology and Oceanography, Volume 61, 2016, Pages 1839-1852

《湖沼學(xué)與海洋學(xué)》，第61卷，2016年，第1839-1852頁(yè)

 

摘要

本研究在一種新型實(shí)驗(yàn)室水槽系統(tǒng)中，結(jié)合不同的上覆水流速、流失或增益通量以及生物膜分布（“表層”或“均勻分布”），研究了一種不穩(wěn)定的溶解有機(jī)碳（以苯甲酸鈉為例）的生物降解。總體目標(biāo)是評(píng)估不同水流條件對(duì)潛流帶中不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解的影響。結(jié)果表明，無(wú)論生物膜分布如何，上覆水流速是影響不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解的主要因素。與流失或中性水流條件相比，增益水流條件由于上升流帶來(lái)了額外的氧氣輸入，也導(dǎo)致了生物降解速率的輕微增加。在所有水流條件下，好氧反應(yīng)區(qū)僅限于底棲生物膜的上部幾毫米，其中表層生物膜顯示出最高的活性。研究結(jié)果揭示了潛流帶中不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解的過(guò)程，將有助于未來(lái)對(duì)河流中不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳傳輸?shù)慕！?

 

研究目的

本研究的總體目標(biāo)是評(píng)估不同水流條件（包括上覆水流速、流失或增益通量）和生物膜分布（表層分布與均勻分布）對(duì)潛流帶中不穩(wěn)定的溶解有機(jī)碳生物降解的影響。具體目的是確定主導(dǎo)生物降解過(guò)程的關(guān)鍵水文因素，并理解生物膜空間分布如何與水流條件相互作用以調(diào)節(jié)碳的轉(zhuǎn)化。

 

研究思路

研究思路是使用一個(gè)長(zhǎng)260厘米、寬29厘米的循環(huán)水槽系統(tǒng)，內(nèi)填天然石英砂并形成固定的床形，以模擬河流環(huán)境。通過(guò)控制主通道水泵和床底排水/注入系統(tǒng)，設(shè)定不同的上覆水流速（如4 cm/s 和 12 cm/s）以及垂直的流失或增益通量（如20 或 50 cm/d）。分階段培養(yǎng)兩種生物膜：“表層生物膜”（模擬固定床形下的自然分布）和“均勻分布生物膜”（模擬床形遷移導(dǎo)致的混合分布）。以苯甲酸鈉作為不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳的模型化合物，通過(guò)在線光譜儀監(jiān)測(cè)其在水體中的濃度衰減來(lái)計(jì)算生物降解速率。使用丹麥Unisense微電極測(cè)量床形內(nèi)部的氧氣濃度剖面。對(duì)生物膜樣品進(jìn)行厚度、胞外聚合物濃度和微生物豐度（16S基因拷貝數(shù)）分析。最后，結(jié)合水文測(cè)量和生物膜特性數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)方法（如ANOVA）分析各因素對(duì)生物降解速率的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  生物膜特性垂直分布數(shù)據(jù)：包括生物膜厚度、胞外聚合物濃度和16S基因拷貝數(shù)。數(shù)據(jù)來(lái)自圖2。研究意義在于定量揭示了表層生物膜和均勻分布生物膜在沉積物剖面中的本質(zhì)差異：表層生物膜的生物量和活性集中在上部毫米尺度，而均勻分布生物膜則相對(duì)均一。這為解釋其在不同水文條件下降解能力的差異提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

 

2.  不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解潛力數(shù)據(jù)：通過(guò)批量培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)據(jù)來(lái)自圖3。研究意義在于確認(rèn)了水槽砂樣（含生物膜）具有顯著的不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳降解能力，而無(wú)菌對(duì)照則無(wú)，證明了觀測(cè)到的濃度下降主要是生物降解作用，而非非生物過(guò)程。

 

3.  不同上覆水流速下的不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解速率數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖4。研究意義在于明確顯示生物降解速率隨上覆水流速增加而線性增加，且與生物膜類型無(wú)關(guān)。這證明了溶質(zhì)（不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳和氧氣）向生物膜的傳輸速率是降解過(guò)程的關(guān)鍵限制因素，突出了物理輸送過(guò)程在調(diào)節(jié)河流生物地球化學(xué)循環(huán)中的首要重要性。

 

4.  流失和增益通量下的不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解速率數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)來(lái)自圖5。研究意義在于表明增益條件（伴隨含氧水輸入）能輕微促進(jìn)生物降解，特別是在低上覆流速下效果更明顯。而流失條件影響不顯著。這揭示了垂直水流方向及其攜帶的溶質(zhì)（如氧氣）通過(guò)改變潛流帶的氧化還原環(huán)境來(lái)間接影響碳的降解。

 

5.  氧氣濃度剖面數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense氧微電極測(cè)量。數(shù)據(jù)來(lái)自圖6。研究意義在于直接可視化了不同水流條件下生物膜內(nèi)部的好氧區(qū)范圍。結(jié)果顯示好氧降解主要發(fā)生在界面下很薄的區(qū)域（毫米級(jí)），并清晰展示了增益流如何擴(kuò)大好氧區(qū)，而流失流如何壓縮好氧區(qū)，為生物降解速率的變化提供了直接的化學(xué)環(huán)境解釋。

 

 

結(jié)論

1.  上覆水流速是控制沙質(zhì)河床中不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳生物降解速率的最主要因素，生物降解速率隨流速增加而線性增加。

2.  增益水流條件（伴隨氧氣輸入）能輕微促進(jìn)生物降解，而流失水流條件的影響不顯著。水流條件對(duì)生物降解的影響在低上覆流速下更為明顯。

3.  不穩(wěn)定溶解有機(jī)碳的生物降解主要發(fā)生在沉積物-水界面以下毫米級(jí)厚度的好氧區(qū)。

4.  表層生物膜（生物量集中于表層）在多數(shù)條件下的生物降解速率略高于均勻分布生物膜，但在高流速下，生物膜分布的影響變得不顯著。

5.  研究強(qiáng)調(diào)了在模擬河流碳循環(huán)時(shí)，需要考慮物理水流過(guò)程與生物膜空間結(jié)構(gòu)的相互作用。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究使用丹麥Unisense公司的Clark型氧微電極測(cè)量潛流帶沉積物中的氧氣濃度剖面，這一技術(shù)手段帶來(lái)了重要的研究意義。首先，該微電極具有高空間分辨率（尖端直徑50微米）和快速響應(yīng)時(shí)間（<5秒），使得研究者能夠以毫米級(jí)的精度刻畫(huà)氧氣在沉積物-水界面附近的急劇濃度梯度，這是傳統(tǒng)宏觀采樣方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。其次，通過(guò)原位實(shí)時(shí)測(cè)量（如圖6所示），研究能夠直接觀察到不同水文條件（如增益流與流失流）如何動(dòng)態(tài)改變生物膜內(nèi)部的氧化還原結(jié)構(gòu)：例如，明確顯示在增益流下，來(lái)自地下水的溶解氧如何滲透并擴(kuò)大好氧區(qū)，而在流失流下，好氧層如何被限制在極淺的表層。這些高分辨率數(shù)據(jù)為理解生物降解速率的變化提供了直接的、機(jī)制性的解釋，將水文傳輸（物理）、氧氣消耗（化學(xué)）和微生物活動(dòng)（生物）緊密聯(lián)系起來(lái)。此外，通過(guò)揭示好氧反應(yīng)區(qū)僅限于上部幾毫米，該測(cè)量強(qiáng)調(diào)了潛流帶生物地球化學(xué)過(guò)程的極度空間異質(zhì)性，挑戰(zhàn)了將其視為均一反應(yīng)器的簡(jiǎn)化模型。總之，Unisense氧微電極的應(yīng)用為本研究定量解析水文過(guò)程對(duì)潛流帶微環(huán)境及碳循環(huán)功能的影響提供了關(guān)鍵證據(jù)，凸顯了高分辨率環(huán)境傳感技術(shù)在深化生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程認(rèn)知中的價(jià)值。