湖泊水华过程中溶解有机物结构组成的时空变化及其环境指示意义

Under the global change and human activities interference, aggravated eutrophication (or algal blooms) becomes the world's universal phenomenon. While nutrients are important regulators of the timing and mangnitude of algal blooms, the specific role of organic nutrients, especially the dissolved organic matter (DOM) in initiating or maintaining such phenomena is still unclear. DOM is coupling with nutrient releasing from inner sources in lakes, and it is a potential bio-available nutrient pool. We are therefore conducting a field study to examine it in Lake Tai. Moleclar level characterization of DOM will be measured by 2D NMR, IR and Raman spectroscopy. Its' sources, transformations and coupling relationships with algal bloom will be determined by comparing the temporal-spatial variations of DOM components, the ratio of Pal/Par, the bioavailablity and other water parameters. In addition, after the decline of bloom, the newly produced DOM (eg. microcystin) will be monitored, which will do helpful to the local water treatment. Based on the DOM stuctrual information, this study has allowed us to investigate the contribution of DOM composition in the onset, duration, and decline of algal blooms in lakes. Our work will be representing an important contibution to local water quality initiatives as well as to a general understanding about the mechanism of algal blooms in Lakes.

在全球变化与人类活动的干扰下，水体富营养化程度不断加剧，水华频发。人们普遍认为营养物的过度累积与水华密切相关，然而对有机营养物，尤其是溶解态有机物（DOM）的研究还相对缺乏。前期研究表明DOM可转化为生物可利用性营养盐，是湖泊内源性可溶营养物释放的重要一环。本研究将以太湖为例，通过原位观测和跟踪水华暴发的具体过程，应用高分辨二维核磁共振谱技术，综合红外和拉曼光谱等技术，研究不同湖区水体中复杂DOM结构组成的季节变化，鉴别其生物活性，统计不同活性DOM所占的比例；并结合其它营养元素和水环境参数，识别DOM的来源信号，初步判明其转化过程，探讨各因素与水华的关系；同时监测水华衰退后DOM(藻毒素等)对水环境的影响，为水华后水质处理提供新思路。我们的研究将为湖泊水环境综合管理提供新的视野，是全面认识水华暴发机制的重要组成部分。

本项目以太湖为研究区域，在月时间尺度上，对2014年太湖不同站位水样进行原位观测，跟踪了整年水华暴发的生态过程。尤其对水华频发代表区梅梁湾，进行了溶解态氨基酸（THAA）、糖类（CHO）的测定，溶解态富里酸（FA）的提取、表征、性质研究，固相萃取富集溶解有机物（SPE-DOM）分子结构组成的核磁共振（NMR）表征。对环境参数、生物群落结构与功能、DOM不同结构组分（活性DOM和惰性DOM）三者进行集成，探讨水华、DOM、细菌之间的相互关系，初步理解水华持续性暴发的原因和水华频发区可能的有机碳转化过程以及不同结构组成DOM的环境效应。结果表明：①THAA及CHO的含量及构成的季节性变化，反映了浮游植物（Cyanobacteria）的胞外释放和细胞裂解，以及异养细菌（主要Actinobacteria，Betaproteobacteria和Flavobacteriia）的降解作用在水华暴发不同时期对其的改造。此外，在水华后期DIN耗竭时，L-AA为蓝藻持续性暴发提供有效的氮源；水华后HMW-PCHO向LMW组分的转化可能为浮游植物群落演替提供有效碳源。该结果初步揭示了不同结构的DOM在富营养化湖泊生态系统中的来源和转化过程，探讨了DOM不同组分与水华的相互关系。②高分辨二维核磁共振谱（NMR）和傅立叶变换离子回旋共振质谱（FTICR MS）对SPE-DOM结构的表征说明，水华中DOM耦合了藻类分子的代谢物，且新鲜的碳氢化合物含量相对较多；水华后DOM氧化程度更高，难降解CRAM（类似腐殖质的多羧基脂环族分子）化合物增加。芳香族化合物HSQC图与微生物作用后的FA相似，故推测非水华DOM很可能是经细菌改造而成。这些分子结构组成信息将有助于认识DOM转化成惰性DOM的途径。③通过对溶解腐殖质中FAs的表征，发现蓝藻暴发时藻类胞外多聚物的释放及微生物群落组成的季节性变化是溶解态FAs结构变化的主要原因，水华过程对DOM结构组成的改造是其与Cu2+亲和顺序改变的主要因素。这反映了水华过程对DOM结构的影响，这进一步影响了富营养化水域的重金属的生物地球化学循环。