武 涛，靳郑海，凃成琪，张继彪，黄 威,,*

(1.江苏澳洋生态园林股份有限公司，江苏苏州 215600；2.东华大学环境科学与工程学院，上海 201620；3.复旦大学环境科学与工程系，上海 200433)

随着人类活动在湖泊流域的大量增加，各类营养盐等经过不同途径输入到湖泊水库等水体中，水体中营养盐富集的问题成为全世界人们关注的热点[1]。近年来，我国为缓解湖泊水体富营养状况，采取了一系列生态化措施，部分湖泊富营养状况得到改善。但是，如太湖这种大型浅水湖泊，其富营养问题并未得到根治，从而出现区域型富营养问题。通常根据夏季是否有沉水植物分布，划分草型和藻型区域[2]。

湖泊沉积物在水体富营养状态变化过程中扮演着重要角色，其磷的吸收释放和微生物活动对上覆水体磷浓度有较大的影响[3]。部分研究[4]表明，微生物的生命活动会导致沉积物-水界面氧化还原位降低，并且细菌代谢产物会溶解沉积物中难溶解的磷酸盐，从而促进磷的释放；相关学者[5-6]指出，微生物一方面通过改变沉积物-水界面氧化还原条件来影响可交换态磷的迁移转化，另一方面通过矿化作用来影响水生态系统磷的循环；此外，Schultz等[7]早期利用数学模型，研究了细菌动力学对沉积物磷释放的影响，结果表明，细菌群落的多样性促进了沉积物磷的释放。沉水植物生长特点的不同，草型和藻型区域沉积物磷吸附和微生物群落之间也必然存在较大的差异。因此，草-藻区域沉积物磷吸附特征与微生物群落之间的响应关系亟待研究。

本研究根据夏季是否有沉水植物分布，划分为草型和藻型区域。经初期调研，发现太湖梅梁湾部分区域夏季存在大量沉水植物，同时选择贡湖湾未发现沉水植物的位置，设置样品采集点位。在分析两个区域上覆水和沉积物总氮(TN)和总磷(TP)空间分布特征的基础上，选择典型点位，采用动力学和修正后的吸附等温模型，研究沉积物磷吸附特征，解析区域沉积物“源-汇”特征；结合生物信息学方法，阐明沉积物磷吸附特征与微生物群落之间的相应关系，从微观层面为抑制沉积物内源磷释放提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 点位布设及样品采集

对贡湖湾的草型区域(M，15个样品)和梅梁湾的藻型区域(A，12个样品)的沉积物样品进行了采集，采用网格布点法，点位基本覆盖两个区域，采集时间为2020年8月。采样点具体位置如图1所示。

图1 采样点位Fig.1 Sampling Points

本研究中采用柱状有机玻璃采水器进行水样采集，采用表层沉积物采泥器进行表层沉积物样品的采集，所有沉积物和水质样品均在24 h内带回试验室进行分析。其中，沉积物样品采集表层20 cm以上样品，每次采集样品4～6 L，每个点位采集5次，设置平行样。分析样品采集的同时，同步采集处理微生物测序样品，采用-80 ℃冰箱保存。

1.2 样品基本指标测定

研究区域上覆水TP和TN均采用国标法《水和废水监测分析方法》(第四版)[8]测定；采用SMT法测定沉积物TP和TN含量[9]。

本研究利用Illumina MiSeq测序平台对沉积物样品进行微生物群落多样性研究。样品微生物多样性指标参数和分布特征分别利用Mothur 1.33.3和生物信息学分析方法进行分析[10]。

1.3 沉积物磷吸附试验设计

选取两个区域典型点位(M1、M11和A4、A10)进行沉积物磷吸附特征研究。其中，动力学试验将1 g沉积物样品在室温下在温控振荡器中加入一系列配备50 mL包含5 mg/L的磷酸盐溶液的锥形瓶，搅拌速度为220 r/min，并且在适当的时间间隔抽取上清液利用国标法测定磷酸盐浓度。等温吸附试验是将1 g的沉积物加入到一系列磷质量浓度梯度(0、0.5、2.0、5.0、10.0、20.0 mg/L)的50 mL锥形瓶中，然后在温控振荡器中以220 r/min的恒定速度搅拌。在480 min后，测定上清液的磷酸盐浓度。

1.4 数据处理

单位质量沉积物不同时间对磷的吸附量Qt计算如式(1)。

Qt=(C0-Ct)V/W

(1)

其中：C0——初始磷的质量浓度，mg/L；

Ct——空白矫正后t时刻的磷质量浓度，mg/L；

Qt——磷的吸附量，mg/g；

V——试样体积，L；

W——样品质量，g。

本研究中沉积物磷的吸附动力学特征采用准一级动力学模型和准二级动力学模型[11]，采用修正后的吸附等温模型来描述磷的吸附等温特征。其中，吸附解吸磷浓度(EPC0)是指吸附试验中所加入的初始可交换态磷从表观上看在底泥表面上没有吸附，同时也没有磷从固体表面上解吸下来，即体系已经处于动态平衡时溶液中磷的浓度。相应吸附参数的计算方法见文献[12]。

根据指定的相似度(96%、97%或者98%，本研究中采用97%)，对所有序列进行OTU划分并进行生物信息统计分析。使用软件Mothur 1.33.3，主要步骤分为：(1)提取非重复序列，碱基完全一致序列为重复序列；(2)与Silva数据库(http://www.arb-silva.de/)中的aligned(16 S/18 S, SSU)核糖体序列比对；(3)Chimeric序列检测与去除；(4)距离计算与OTU聚类。采用Quantiy one、Canoco 4.5、Mothur等软件分析试验数据，开展基于高通量测序技术的硝化菌群落多样性研究。

2 结果与讨论

2.1 区域污染物空间分布特征

草-藻型特征型湖泊各采样点上覆水和沉积物氮、磷营养盐含量如图2所示，草-藻型区域氮、磷指标存在较明显的空间异质性。就上覆水体而言，草型区域和藻型区域TP质量浓度分别为(0.136±0.042)mg/L和(0.220±0.048)mg/L，分别以Ⅳ类水质和Ⅴ类水质为主；TN质量浓度分别为(1.279±0.314) mg/L和(2.004±0.426) mg/L，分别以Ⅳ类水质和劣Ⅴ类水质为主。其中，草型区域TP质量浓度变异系数为0.31，空间差异较明显，区域表现为东部>西部，这是由于该区域靠近城镇和工业区，承接了外源污水的汇入。藻型区域虽毗邻贡湖水源保护地，但受人类活动及其地表径流影响较大，近些年长期的外源污染与内源释放致使富营养程度加剧，同时也威胁了太湖流域饮用水的安全。草型区域周围分布水生植物，导致总体营养水平低于藻型区域。氮磷比经常用于预测氮或者磷是否会限制浮游植物和藻华的生长。草-藻型区域氮磷比均低于14，这主要是由于采样时间处于藻华暴发期，沉积物磷素大量释放，藻华养分限制由磷限制转变为氮限制，这亦由同期太湖研究[13]证实。

图2 草-藻型区域上覆水和沉积物TP和TN浓度分布Fig.2 TP and TN Concentration Distribution of Overlying Water and Sediments in Macrophyte-Dominated and Algae-Dominated Areas

由图2(c)可知，草型、藻型区域沉积物TP质量分数为(440.29±53.34)、(586.37±147.36) mg/kg，与巢湖(419.13～1 134.76 mg/kg)[14]、白洋淀(0.7 mg/g)[15]、滇池(1 465.27～3 650.12 mg/kg)[16]等富营养湖泊相比较低。两个区域TN质量分数分别为(1 161.21±165.54)、(1 445.84±122.49) mg/kg。藻型区域沉积物氮、磷库容均明显高于草型区域，藻型区域受人类活动直接影响较大，工业废水和生活污水的排放，致使污染物在沉积物不断累积，同时藻型区域藻华生长茂盛，间接引起水生植物死亡的残体在沉积物堆积，降低了氮、磷的埋藏与固定。采样适逢夏季藻华易发期，一方面，高温加快了内源磷负荷的迁移速率[17]，另一方面，藻华通过改变水体酸碱度与氧化还原环境，促进了沉积物中磷的解吸[18]，导致了夏季沉积物磷负荷较低。

2.2 沉积物磷吸附特征研究

2.2.1 沉积物磷吸附动力学特征

图3 草-藻区域典型点位磷吸附动力学曲线Fig.3 Adsorption Kinetics Curve of Phosphorus of Typical Sediments in Macrophyte-Dominated and Algae-Dominated Areas

2.2.2 沉积物磷吸附等温曲线

修正后的Langmuir和Freundlich模型通常用于描述天然含磷沉积物上磷的等温吸附行为。本研究两个区域的沉积物对磷的吸附等温线如图4所示。修正后的Langmuir模型能够更好地描述沉积物对磷的吸附行为，并且相关系数R2在0.779～0.923。显然，在较低的磷浓度(含量为0)，沉积物中的磷参与泥水界面的交换发生解吸过程，这得益于沉积物的本底磷(NAP)含量。当初始浓度进一步提高，沉积物对磷的平衡吸附能力减弱并趋于平衡。

表1 草-藻区域典型点位磷吸附动力学参数Tab.1 Parameters for Adsorption Kinetics of Typical Sediments in Macrophyte-Dominated and Algae-Dominated Areas

图4 草-藻区域典型点位磷吸附等温曲线Fig.4 Phosphorus Adsorption Isotherms of Typical Sediments in Macrophyte-Dominated and Algae-Dominated Areas

对两个曲线拟合的模型参数如表2所示，可以预见草型区域的Qmax较高，M11的Qmax最高，为(0.799±0.212) mg/g，并且M11的K值高于其余位点，为(0.916±0.166) L/mg。之前研究也表明有机质含量、矿物组成、Fe/Al氧化物含量等都会影响磷在溶液与沉积物之间的传质过程，造成了沉积物磷平衡吸附能力和吸附容量的差异。先前研究[21]表明，梅梁湾的细粒径含量占比较高，这有利于磷在沉积物中的吸附与保留，因此，草型区域磷吸附能力较强，导致M11的K值较高。M11和A10的Qmax较高一方面是由于其Fe/Al氧化物含量丰富，分别为19.59%和20.42%，另一方面是由于其较高的有机质含量，分别为3.96%和4.31%。研究[22]表明，有机质中的腐殖质可通过释H+改变酸碱环境和络合铁铝金属离子，这有助于颗粒相与溶解相的磷交换。此外，沉积物磷吸附取决于颗粒的表面积和颗粒表面的有机物质和矿物的电荷平衡官能团，其中配体交换反应被认为是解释磷吸附到含有Fe/Al氢氧化物的土壤和沉积物中的最重要机制[23]。

EPC0是沉积物对磷的吸附-解吸平衡的平衡浓度，可作为判断沉积物是作为磷的“源”“汇”的角色的依据，同时也指示着对上覆水水环境的最大缓冲能力，防止磷释放于水柱中，对水生态起到关键作用。经计算可得，草型区域M1、M11的EPC0分别为0.116、0.182 mg/g，经与上覆水可溶性正磷酸盐对比可得，M1沉积物充当磷“汇”，M11沉积物充当磷“源”，可见，M11有较强的内源磷释放风险。藻型区域A4、A10的EPC0为0.094、0.233 mg/L，相比之下，A4沉积物充当磷“汇”，A10充当磷“源”。

表2 草-藻区域典型点位磷吸附等温参数Tab.2 Parameters for Phosphorus Adsorption Isotherms of Typical Sediments in Macrophyte-Dominated and Algae-Dominated Areas

2.3 沉积物中微生物群落结构差异分析

2.3.1 草-藻区域沉积物微生物群落多样性分析

本研究收集来自藻型区域和草型区域12个和15个沉积物样品。测序试验结果(图5)表明，藻型区域大部分沉积物OTU数目高于草型区域，其中，经过藻型区域大部分沉积物样品中OTU数目在1 700～2 100，草型区域则为1 250～1 600。对比两个区域的多样性指数，Shannon指数呈现与OTU数目相似的规律。藻型区域沉积物细菌群落多样性变化较大，Chao指数在1 600～4 000，草型区域则在1 700～3 000，ACE指数呈现相似的趋势。从OTU和Shannon指数的数值可知，藻型区域沉积物细菌群落多样性高于草型区域，两个区域指标之间呈现显著的差异性(p<0.05)。这可能是藻型区域沉积物中微生物活动频繁，加之在采集样品阶段，大量水体蓝藻暴发，死亡后沉积于沉积物表面，从而导致表层沉积物微生物多样性丰富。在草型区域，大部分采样点位经过清淤，导致该区域沉积物较为清洁，沉积物表层微生物活动不频繁，生物多样性较低[24-25]。

图5 沉积物细菌多样性指数及OTU数量分析 (p<0.05)Fig.5 Diversity Indices and OTU of 16S rRNA Gene Libraries with Significant Differences (p<0.05)

2.3.2 沉积物微生物群落在不同分类级别上的分布

图6(a)显示了在沉积物中微生物在门分类级别上的分布，与大部分湖泊沉积物相同[26-28]。变形菌门(Proteobacteria)依旧是两个不同类型区域的主要微生物群落，所占比例为45.6%～68.9%。绿弯菌门(Chloroflexi，5.8%～20.5%)、酸杆菌门(Acido-bacteria，5.5%～23.0%)、拟杆菌门(Bacteroidetes，1.4%～17.9%)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae，1.9%～12.1%)在沉积物细菌群落中所占比例也较大。此外，厚壁菌门(Firmicutes)、绿菌门(Chlo-robi)、黏胶球形菌门(Latescibacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)在沉积物细菌群落中也有相对较高的丰富度。两个区域相比，Bacteroidetes群落丰度相差较大，差异分析显示，两个区域Bacteroidetes群落丰度存在显著的差异性(p<0.05)，草型区域的Bacteroidetes群落丰度明显大于藻型区域。这可能是草型区域水生植物种类较多，而Bacteroidetes主要对纤维素降解功能较强，因此Bacteroidetes在草型区域的丰度较大。此外，藻型区域的Nitrospirae群落丰度也明显高于草型区域，这主要是在藻型区域Nitrospirae群落参与沉积物和水体中氮的循环和迁移转化，因此，该区域Nitrospirae群落丰度较高，水华现象较为严重。

图6(b)显示了不同纲分类级别上细菌群落分布的情况。结果表明，β-变形菌纲(Betaproteoba-cteria)、δ-变形菌纲(Proteobacteria)、厌氧绳菌纲(Anaerolineae)、γ-变形菌纲(Gammaproteo-bacteria)、酸杆菌纲(Acidobacteria)是两个区域沉积物细菌群落在纲级别上的主要分类。其中，藻型区域中的硝化螺旋菌门所衍生的纲分类级别上的硝化螺旋菌属(Nitrospira)群落丰度(5.1%～12.1%)远大于草型区域(1.9%～3.6%)，与上文结论相符，藻型区域Nitrospira高群落丰度导致了该区域氮的迁移转化以及水体中氮浓度的上升，有利于促进蓝藻的生长。草型区域的拟杆菌纲(Bacteroidia)群落丰度(5.0%～7.8%)高于藻型区域(0.03%～1.1%)，这也主要是草型区域水生植物丰度广泛所导致[29-30]。

注：数据来自27个沉积物样(藻型区域共12个，草型区域共15个)图6 不同(a)门和(b)纲分类级别上的群落分布Fig.6 Abundances of Different (a) Phyla and (b) Classes in 27 Sediment Samples Based on Pyrosequencing

将指定种属水平上的分类信息(本研究绘图是根据genus水平上OTU size位于前50的信息进行绘制)分别按照样品和分类进行聚类后作出Heatmap图，能够反映出所有样品在各分类水平上表现的相似性或者差异性[31]。如图7所示，热图上部分属级别上种类，硫杆菌属(Thiobacillus)、拟衣藻属(Dechlormonas)，硫化菌属(Sulfuritalea)、瘤胃杆菌属(Ruminofilibacter)等菌属在草型区域沉积物中的相对丰度均大于藻型区域。此外，Nitrospira、代尔夫特菌属(Delftia)、脱硫弧菌属(Desulfobacca)等菌属在藻型区域沉积物中的相对丰度均大于草型区域。上文中提到藻型区域的Nitrospira群落丰度明显高于草型区域，这可能由于Nitrospira引起。

2.3.3 草-藻型区域沉积物微生物群落与磷吸附特征响应关系分析

如图8(a)所示，PCoA分析基于Bray-Curtis距离原则把27个沉积物样品主要分成两个类型，这也与两个区域的类型完全相符，多变量相似性分析也表明来自两个区域的沉积物样品的细菌群落之间存在着显著差异(p<0.05)。两条PCoA轴共解释了52.3%的细菌群落结构变化。藻型区域沉积物样品在PCoA分析水平轴解释的群落上也存在一定的差异性，其中A10和M11点位与研究区域的其他沉积物细菌群落之间存在极显著的差异性(p<0.01)。通过分析OTU分类级别的数据能够较好地解析沉积物细菌群落之间的差异性，如图8(b)所示。藻型区域和草型区域沉积物细菌群落之间的差异性明显，各区域沉积物细菌群落的相似度分别为0.61和0.35，呈现的趋势与PCoA的分析结果一致。总体来看，通过OTU分类级别上的分析，不同样品在同一地区的相似性较好，两个区域之间样品沉积物细菌群落存在着显著差异性，这可能是草型区域水生植被较多，藻型区域水华频繁暴发所造成。

注：PCo1、PCo2表示两轴群落变化的细菌占比百分数图8 基于Bray-Curtis距离矩阵的分析Fig.8 Analysis Based on Bray-Curtis Distance Matrix

两个区域对比，藻型区域沉积物的Proteobac-teria相对丰度大于休眠期，这主要是由于藻型区域沉积物-水界面处，部分蓝藻生物活跃，使得大多数细菌群落处于营兼性或专性厌氧及异养生活状态，从而直接导致了该地区的沉积物Proteobacteria的所占比例升高[32-33]。聚类分析结果显示，点位A10和M11与其他细菌群落之间存在极显著的差异性，这也表明，充当“源”角色沉积物可能在微生物群落演替过程中，给具有解磷功能的微生物提供能量，从而加剧沉积物磷的释放。同时，两个“源”点位沉积物中，具有解磷功能的微生物相对丰度较高，这些微生物活动一方面导致了沉积物-水界面溶解氧降低，同时将不可利用态磷转化为可利用态磷，从而促使沉积物-水界面内源磷的释放。另一方面，两个点位酸酐门和拟杆菌门衍生属分类级别(Actinobacteriota、Bacterroidetes)上的细菌群落相对丰度较高，该类微生物具有一定的解磷功能，在沉积物对磷的吸附过程中，促使沉积物对磷吸附能力增强，也进一步说明在微生物介导下沉积物有较强的磷释放风险。

3 结论

(1)梅梁湾草型区域和贡湖湾藻型区域水质TP分别以Ⅳ类和Ⅴ类为主，TN质量浓度以Ⅳ类水质和劣Ⅴ类水质为主；藻型区域沉积物TN和TP含量明显高于草型区域，最高值分别达1 445.84、586.37 mg/kg。

(2)准二级动力学模型和修正后的Langmuir模型能够分别较好地描述沉积物对磷的动力学和等温吸附行为，草型区域沉积物理论最大磷吸附量Qmax较高，最高可达0.799 mg/g，且对磷的吸附反应速度快，准二级动力学常数最大值达1.997 g/(mg·min)。

(3)藻型区域沉积物细菌群落多样性高于草型区域，Proteobacteria是两个区域门分类级别上丰富度最高的门，Betaproteobacteria、Deltaproteobacteria、Anaerolineae等也是两个区域丰富度较高的种类。在藻型区域，Nitrospirae的群落丰度影响该区域氮的迁移转化规律，从而影响水体中氮浓度和藻类的生长。草型区域由于大量沉水植物的生长，导致该区域如Bacteroidetes等群落丰度较高。

(4)具有解磷功能微生物在两个充当“源”角色的点位具有较高的相对丰度，且沉积物具有较大的磷吸附量，从而导致了区域性的领释放风险，也进一步说明在微生物介导下，草型和藻型区域沉积物均有较强的磷释放风险。