湖泊磷酸盐氧同位素动力学分馏特征及其对磷循环的指示意义

Significant kinetic fractionation of oxygen isotope ratios in phosphate (δ18Op) can be produced by biological effects in the natural processes of phosphorus cycle, making δ18Op to be a potentially effective tool for studying the pathways and mechanisms of phosphorus biogeochemical cycle in lakes. But up to now, the studies on the kinetic fractionation of δ18Op in lake ecosystem are scarce. In this study, Lake Fuxian (oligotrophic) and Lake Hongfeng (eutrophic) are selected as the comparative study objects. Water, suspended particulate matter and sediment samples will be systematically collected and chemically analyzed to elucidate the spatio-temporal distributions and variations of δ18Op composition in different media of the two lakes. Meanwhile, simulation experiments will be conducted in the laboratory, in order to study the kinetic fractionation of δ18Op in lake water and sediment under the conditions of algal uptake and enzymatic hydrolysis. On the above basis, the kinetic fractionation effects of δ18Op in the key biological processes (e.g., algal bloom, phosphatase hydrolysis and bio-mineralization) in the lake ecosystems will be elucidated. The indicative significance of kinetic fractionation of δ18Op on phosphorus cycle in lakes will be revealed. The results will deepen the scientific understanding of the biological utilization and cycling mechanisms of phosphorus in freshwater ecosystems.

自然磷循环过程中生物作用可产生显著的磷酸盐氧同位素（δ18Op）动力学分馏，使δ18Op成为湖泊磷生物地球化学循环机理研究的一个潜在有力工具。然而，目前学者对湖泊生态系统中δ18Op动力学分馏效应的研究十分匮乏。为此，本项目选取代表性贫营养湖泊抚仙湖和富营养湖泊红枫湖为研究对象，按季度采集分层水体、悬浮颗粒物和沉积物样品，系统分析其化学和磷酸盐氧同位素组成，研究不同营养状态湖泊的不同介质中δ18Op组成的时空变化规律，结合藻类吸收和酶催化水解条件下水体和沉积物磷的δ18Op动力学分馏模拟实验研究，阐明湖泊生态系统关键生物过程（藻类水华、磷酸酶水解和生物矿化）的δ18Op动力学分馏特征，揭示δ18Op动力学分馏效应对湖泊磷循环的指示意义。本项研究将深化对淡水生态系统磷的生物利用途径和循环机制的科学认识。

自然磷循环过程中生物作用可产生显著的磷酸盐氧同位素（δ18Op）动力学分馏，使δ18Op成为湖泊磷生物地球化学循环机理研究的一个潜在有力工具。本项目通过系统室内实验和野外采样分析，取得如下进展：1）发展了一套针对沉积物不同形态磷（NaHCO3-P、NaOH-P、HCl-P）磷酸盐氧同位素前处理方法。该方法放弃Mg诱导共沉淀的思路，避免引入杂质离子（比如Mg2+、Cl-）和减少磷损失；引进无磷活性炭去除有机质，简化了操作流程，提高了磷酸盐的回收率（90.98%–96.69%）。2）建立了原位富集、洗脱、纯化PO4的新方法 （ISEEP）。该方法利用锆氧化物凝胶选择性原位吸附水中的PO4，单位面积吸附量可达789.3 μg P/cm2。洗脱后，去除99.7%以上的常见阴离子、阳离子和溶解性有机物 (DOM)，PO4的回收率高达92.8%。3）基于同位素技术评价了沉积物磷的生物可利用性，发现：滇池沉积物不同磷形态δ18Op值有明显差异，从高值到低值依次为NaHCO3-P (30.00‰±4.73‰) > NaOH-P(21.71‰±3.53‰) > HCl-P (17.03‰±0.77‰)。在空间上，北湖沉积物生物活性磷（NaHCO3-P和NaOH-P）的δ18Op值明显高于南湖，这与北湖水体Chl-a浓度与藻类丰度高于南湖是对应的。北湖与南湖沉积物HCl-P的δ18Op值差异不明显，都接近平衡值。沉积物不同磷形态的δ18Op组成之间的差异与藻类等生物对不同形态P的利用效率有关。