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在水华形成阶段,水体中的有机物主要以颗粒态有机物(POM)的形式存在,而在水华末期,由于环境条件改变(温度降低,营养盐耗竭等),藻细胞的胞内物质会通过细胞裂解释放到水体里,成为溶解性有机物(DOM)。根据DOM生物可利用性的不同,可以分为不同大小粒径组分。因此,藻类水华细胞裂解是影响水体中生源要素循环的重要途径。本文采用酯酶活性法估算了太湖水华蓝藻细胞裂解速率,并运用切向流超滤系统,在不同富营养化湖区梅梁湾,湖心和贡湖湾分离得到了不同粒径的三种有机物组分,包括POM(＞0.7μm),HMW-DOM(0.45μm-1kDa)以及LMW-DOM(＜1kDa)组分。结合水华不同阶段的藻类细胞裂解速率,探讨了藻类细胞裂解对溶解性有机碳的影响。并通过对梅梁湾这三种组分的碳氮比值,碳稳定同位素特征值以及中性单糖的分析,比较了三种有机物的结构组分特征差异。此外,在室内模拟了黑暗条件下蓝藻细胞裂解的过程,进一步探讨了藻类细胞裂解可能对碳氮磷等重要生源要素循环的作用。主要研究结论如下:
1.对太湖不同富营养化湖区浮游植物的细胞裂解速率的研究结果表明,颗粒态酯酶活性与叶绿素浓度之间具有显著的正相关性,表明浮游植物是太湖酯酶的主要来源,用酯酶活性估算细胞裂解速率在太湖是可行的。水华末期(2009.8-2010.2),叶绿素和颗粒态酯酶活性迅速减少,水体中溶解性酯酶活性规律性不显著,酯酶衰变周期与温度变化趋势基本一致。水华形成期间(2010.3-2010.8),水体中溶解性酯酶浓度与叶绿素浓度具有显著的反比例关系,表明藻类在正常生长过程中释放的酯酶含量少。而酯酶衰变周期与温度变化具有显著的反比例关系。在整个研究阶段,梅梁湾细胞裂解速率的变化范围为0.02-0.67d-1,湖心为0.01-0.77d-1,贡湖湾为0.03-0.68d-1。
2.对水华蓝藻细胞裂解的环境因素研究表明,梅梁湾叶绿素浓度要显著高于湖心(p=0.005)。其中,水华形成期间,叶绿素浓度与太湖硝酸盐浓度具有显著的反比例关系,而与正磷酸盐浓度之间不具有相关性。表明在藻类在生长的过程中消耗了硝酸盐,因此水华过后水体中容易出现硝酸盐耗竭。水华末期三个不同富营养化湖区细胞裂解不存在显著差异,表明藻类细胞裂解速率与叶绿素浓度不具有相关性。但是水华形成期,三个湖区细胞裂解速率与叶绿素浓度之间具有一定的负相关性。此外,在整个研究阶段贡湖湾浮游植物细胞裂解速率与叶绿素浓度之间具有显著的反比例关系。因此,叶绿素浓度可能与藻类细胞裂解之间具有一定的相关性。在水华末期,三个湖区都在10月达到裂解速率最大值。研究结果表明水华末期在三个湖区引起浮游植物大量裂解的驱动因子一致,可能是硝酸盐耗竭,而温度并没有与细胞裂解速率具有明显的相关性。
3.水华蓝藻对有机碳形态的影响研究表明,在整个研究过程中,梅梁湾与湖心DOC浓度存在显著差异(p=0.036),与贡湖湾也存在显著差异(p=0.034)。其中,水华形成期间,贡湖湾DOC与叶绿素浓度之间具有很好的相关性(r=0.9,p=0.02,n=6)；HMW-DOC浓度也与叶绿素之间具有很好的线性关系(n=6,p=0.03)；三个湖泊叶绿素浓度与DOC之间的相关性较弱。此外,水体温度与DOC浓度之间具有很好的相关性。表明光合作用速率是影响DOC的一个重要因素。梅梁湾与湖心HMWDOC浓度存在显著差异(p=0.033),与贡湖湾存在显著差异(p=0.036)。研究结果发现HMW-DOC与DOC浓度之间具有正相关的关系,相关系数达到0.83,这表明DOC中有83％是HMW-DOC(1k Da-0.45μm)。在水华消亡阶段,三个采样点HMW-DOC与细胞裂解速率之间具有显著的相关性,表明在水华消亡阶段,水体中HMW-DOC主要来源于藻类细胞裂解。在水华消亡阶段,梅梁湾叶绿素浓度与HMWDOM的碳氮比值之间具有显著相关性。这也表明,梅梁湾高分子量溶解性有机物主要来源于浮游植物。而这种相关性在贡湖湾不显著(p=0.09)。因此,陆源性输入可能也是太湖水体HMW-DOC的重要来源。通过对高分子量组分碳氮比值的研究,结果发现伴随着水华的消亡过程,太湖水体中高分子量有机物发生了从含碳化合物向含氮化合物的转变。从太湖分离得到的HMW-DOM有八种中性单糖,葡萄糖是最主要的单糖,其次是半乳糖和甘露糖。蓝藻的胞外多糖含量中葡萄糖和半乳糖所占比例较高。可见,蓝藻胞外多糖的释放是水体中HMW-DOM的重要来源。水华后期,HMW-DOM组分中葡萄糖含量减少,还原性糖(岩藻糖和鼠李糖)含量升高,表明这部分组分生物可利用性高,被细菌优先分解利用进入微食物网循环。
4.对蓝藻细胞裂解及其对生源要素的影响研究表明,从西太湖分离得到的蓝藻在室内黑暗条件下培养一个月后蓝藻的细胞裂解速率为0.094d-1,蓝藻在细胞裂解的过程中释放了大量正磷酸；此外野外一周年的数据统计分析表明,水华末期,梅梁湾和贡湖湾的细胞裂解速率与正磷酸盐浓度之间具有很好的相关性(r=O.77,p=0.001)。可见,蓝藻在细胞裂解的过程中释放的正磷酸盐对湖泊中磷元素的循环有重要贡献。
5.蓝藻水华过程对水体中有机物结构影响的研究表明,梅梁湾颗粒态有机物中葡萄糖是主要的单糖,其含量与叶绿素浓度变化趋势一致,表明颗粒态有机物的可矿化程度受藻类水华程度的影响。其中颗粒态有机碳含量在2010年7月出现最大值,并且POC与叶绿素浓度之间具有显著的相关性(p=0.01,R2=0.55)。δ13CPOM具有明显的季节性变化,夏季高于冬季,与POC浓度之间也具有很好的相关性。梅梁湾HMW-DOM和LMW-DOM组分碳氮比值具有显著差异(n=13,p=0.005)。HMW-DOM和POM组分的碳氮比值差异不显著(n=13,p=0.1),而两种组分的碳稳定同位素特征值存在显著差异(n=12,p=0.015)。HMW-DOM组分的碳同位素值较颗粒态高,可能是其中藻源性碳被矿化,而富含碳13的化合物被留了下来。此外,陆源输入也可能导致δ13CHMW-DOM升高。梅梁湾三种组分中性单糖含量为HMW-DOM>POM>LMW-DOM,结果表明HMW-DOM生物可利用性强。