我中心王圣瑞课题组蒲佳博士在水科学顶级期刊Water Research发表重要成果

2022年12月，我中心王圣瑞老师课题组蒲佳博士于Water Research在线发表了题为“Recognition of variations and its significance of bioavailable organic phosphorus in sediment between high and low risk periods for algal blooms in Lake Erhai”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2022.119514)，分析了水华高低风险期湖泊沉积物有机磷生物有效性变化，从化学形态、分子组成等方面解析了湖泊沉积物有机磷生物有效性变化及差异。基于连续提取法、酶水解和高分辨质谱（FT-ICR-MS）手段证实了水华高风险期湖泊沉积物具有更高的生物有效性有机磷，提出了沉积物生物有效有机磷是维持湖泊藻类水华重要内源的创新认识。

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沉积物Po具有生物有效性，可能是供给藻类水华的重要内源而逐渐受到关注。深入对沉积物Po生物有效性的研究，尤其是探究其在水华高低风险期变化及其意义显得尤为重要。因此，本文基于连续提取法、酶水解解析了水华高风险期沉积物有机磷具有更高活性的单脂磷（Labile Mono-P）和二脂磷（Diester-P）可酶解Po，其在H2O-Po和NaHCO3-Po形态中的含量（13.4-33.3mg/kg）几乎是水华低风险期（3.9-14mg/kg）的2-3倍。傅立叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）揭示高低风险期H2O-Po（2526 vs 1884）和NaHCO3– Po（1554 vs 863）含P分子式匹配数量对比，指出了生物有效性P分子（Bio-Po, H/C>1.2 O/C>0.5），特别是2P生物有效性分子（Bio-2Po）在H2O-Po（308 vs 391, 217 vs 316）和NaHCO3-Po (114 vs 208, 40 vs 145）低风险期低于高风险期，基于该研究沉积物生物有效性Po的变化为阐释富营养化湖泊内源发生机制提供了重要依据。

图文导读

水华高风险期湖泊沉积物可酶解的Po总量（Labile Mono-P和Diester-P）为21.83至58.44 mg/kg，高于低风险期的19.52至35.77mg/kg。其中H2O-Po和NaHCO3-Po可酶解的Po（13.4-33.3 mg/kg）约低风险期（3.9-14mg/kg）的2 – 3倍（图1）。

Fig.1 Bioavailability variations of sequential extracted Po in sediment by enzymatical hydrolysis

通过FT-ICR-MS匹配的分子式中，高低风险期沉积物H2O-Po（2526 vs 1884）和NaHCO3-Po（1554 vs 863）差异较大，而NaOH-Po则相近（图2a）；1P、2P的分子数量、比例分别为1805 vs 1369（20% vs 18%）、721 vs 515（9% vs 9%）、972 vs 559（12% vs 11%）和582 vs 304（9% vs 6%）。水华高风险期和低风险期CHOP的比例差异显着（13.8% vs 8%），CHONP、CHOSP和CHONSP分子差异则小于3%（图2b）。

Fig. 2 Molecular formulas and proportions variations of sequential extracted Po in sediment from HRP-ABs and LRP-ABs

根据H/C和O/C的生物有效性（H/C>1.2和O/C>0.5）鉴别标准，水华高风险期和低风险期沉积物Bio-Po的分子式数分别为391 vs 308、208 vs 114和210 vs 209（图3）。具体来看，Bio-2Po在H2O-Po（316 vs 217）、NaHCO3-Po（145 vs 40）差异明显，而NaOH-Po（166 vs 140）中数量相当。

Fig. 3 Molecular compositions of bioavailable Po from sequential extracted Po fractions between HRP-ABs and LRP-ABs

水华高风险期沉积物表现为低SUV254、SUV260和HIX，高A253/A203、FI、BIX，指示更多微生物来源物质具有较高亲水性，官能团（羰基、羟基和酯基等），低的芳香性和腐殖化程度。RDA结果显示，水华高风险期C1和C2含量较高以及Bio-Po和Bio-2Po含量较高及脂肪族物质（C1+C2、Ratio （C1+C2/C3）和Bio-Po之间的正相关关系表明内源性微生物源Po积累（图4A）。在图4a-c中观察到生物有效性Po（Labile Mono-P、Diester-P和总可水解Po）与BIX之间的显着关系，支持微生物活动产生的内源性贡献。水华高低风险期可酶水解Po与环境因子（DO、ORP和pH）间的相反关系（图4a-c），指示不同的环境变化与Po生物地球化学行为。

Fig. 4 RDA analysis among optical parameters, sequential extracted Po fraction and bioavailable Po

在水华低风险期，低外源负荷、藻类水华（弱APase活性）和OM分解阻碍了P的释放，造成沉积物较低水平生物有效性Po。湖泊进入水华高风险期，伴随着大量的外源负荷，微生物碎屑、藻类和水生大型植物等内源，促进沉积物生物有效性Po大量沉积。频繁的藻类水华和环境条件变化（DO、pH、温度和光照）加剧了沉积物生物有效性Po的转化和释放。

Fig. 5 Conceptual biogeochemical processes of sediment bioavailable Po in HRP-ABs and LRP-ABs

小结

本研究通过酶水解和FT-ICR-MS手段，揭示了湖泊水华高低风险期沉积物生物有效性Po化学形态和分子组成变化，进一步阐释了其不同的生物地球化学过程。更为重要的是，湖泊沉积物生物有效性Po的年内变化，指示藻类水华促进了与沉积物磷的正反馈机制，证明了沉积物Po对湖泊藻类水华的供给作用。

作者介绍

蒲佳博士生，就读于北京师范大学水科学研究院。主要从事湖泊氮磷生物地球化学及与藻类水华互馈机制研究。以第一作者或者通讯作者身份在Water Research、Chemosphere、Ecological Indicators、International Journal of Climatology等期刊上发表SCI论文4篇。

王圣瑞北京师范大学教授，博士生导师，围绕水环境科学理论与方法问题，以河湖水环境过程、水生态演变及流域综合调控为重点，立足解决我国河湖水系及区域水环境与水安全难题，并将水环境科学理论与方法广泛应用于我国河湖治理及水生态修复实践；入选首批国家万人计划科技创新领军人才，国家水重大专项标志性成果一级责任专家与湖泊主题组副组长，中国环境科学学会沉积物环境专业委员会副主任委员；获环保部“五四”青年奖章、中国环境科学学会突出贡献奖及青年科技创新奖等荣誉；主持重大专项课题、国家自然科学基金重点项目等国家重点研究课题30多项，发表论文200多篇，SCI他引3000余次；获国家科技进步二等奖1项，部级科技进步一等奖5项，省部级二等奖3项及专著15部、国家发明专利20件及软件著作权等多项成果。