揭示海洋藻华在沉积物-海水界面砷释放作用机制 - 海洋地球化学循环研究进展

　　近日，中国科学院海洋研究所宋金明研究团队在揭示海洋藻类爆发通过加强微生物调控作用诱导沉积物-海水界面砷（As）的释放机制解析上获得新认识，量化了长江口每年藻类爆发时期可能触发的沉积物As的释放通量，对于评估重金属As的海洋生态效应具有重要科学价值。相关成果发表在国际学术期刊(Nature Index) Water Research（IF=12.3）。

　　近年来，近海和河口富营养化日趋严重，富营养化导致的藻类爆发已严重影响到海洋元素生物地球化学循环过程。重金属砷对水生生物具有急性和慢性毒性效应，其毒性会随还原形态的增加而加剧。藻类爆发引发的大量有机质降解会通过改变底层水体氧化还原条件刺激沉积物-水界面As(V)的还原，加剧沉积物中砷的释放，从而对海洋环境构成污染风险。然而，关于富营养化导致的藻类爆发对沉积砷循环的驱动机制和对水体的贡献尚不清楚。

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　　宋金明研究团队以我国典型藻类爆发高频区长江口邻近海域为研究对象，基于藻类爆发高峰期生物量，提出富营养化可导致沉积物-水界面砷释放的三个过程，通过藻类添加培养实验，研究了不同藻类生物量下沉积物-水界面体系中上覆水、间隙水和固相沉积物中砷形态的剖面和时间变化，结合砷相关功能基因，揭示了藻类降解过程中沉积物-水界面砷的释放机制（图1）。

　　结果发现，高生物量藻类添加组中溶解总砷浓度的增加率显著高于实验对照组，且藻类添加组中沉积物-水界面的累积溶解总砷扩散通量是实验对照组的约7倍（图2），藻类降解显著增加了沉积砷的释放。沉积物砷的快速释放发生在有机质的快速好氧矿化阶段；在有机质快速降解阶段之后，砷的释放得以维持。所有实验组的固相活性形态都以As(V)为主要存在形态；而在间隙水中，As(III)和As(V)分别是有机物最初的快速降解阶段和随后的缓慢降解阶段的主要溶解总砷形态，微生物的As(V)还原和Fe(III)还原分别为这两个阶段的主控因素。培养结束后，藻类添加组中异化As(V)还原菌arrA基因丰度相对于实验对照组显著增加，而异化Fe(III)还原菌Geobacter丰度并没有相应增加，说明藻类添加对砷释放的影响大于对铁的影响，且微生物还原而不是物理化学过程是驱动藻类添加组沉积物砷释放的主要途径。根据培养实验砷的扩散通量估算得出长江口夏季藻类爆发阶段可导致1440 kg沉积砷释放到上覆水中。

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　　该研究阐明了富营养化在促进沉积物-水界面As释放中的作用，提出了不同于传统地球化学主控的藻类爆发下微生物还原主控沉积物-水界面As迁移释放的新论点，对沉积物-水界面As的释放和机制过程有新的认识，这对评估砷的海洋生态系统风险具有重要意义。

　　论文第一作者为段丽琴研究员，研究得到了国家自然科学基金、山东省基金等项目支持。

　　相关论文和链接：

　　Liqin Duan, Jinming Song, Yuting Zhang, Huamao Yuan, Xuegang Li, Lingling Sun, 2023. Role of marine algal blooms in the release of arsenic at the sediment-seawater interface: evidence from microcosm experiments. Water Research 244, 120508 (https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120508)

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图1 藻类添加培养中上覆水/间隙水中As及相关功能基因丰度的变化

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图2 不同条件下沉积物-水界面的As扩散通量

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中国科学院海洋研究所 (cas.cn)

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