蔡　萍，吳雨琛，劉　新，尹洪斌

(1：南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)

(2：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

底泥和藻體對太湖湖泛的誘發(fā)及水體致黑物的供應(yīng)潛力*

蔡萍1，吳雨琛1，劉新1，尹洪斌2**

(1：南京林業(yè)大學(xué)，南京 210037)

(2：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

摘要：為確定底泥和藻體在太湖湖泛形成過程中對致黑物形成的貢獻(xiàn)，采用室內(nèi)模擬系統(tǒng)，研究底泥、藍(lán)藻以及底泥+藍(lán)藻3種處理，模擬湖水在不同厭氧程度下湖泛特征參數(shù)(黑度、鐵及硫形態(tài))的變化，分析不同處理以及受不同聚藻程度影響區(qū)(八房港、焦山)底泥對湖泛的誘發(fā)作用及致黑物供給潛力.結(jié)果表明，各處理組誘發(fā)太湖湖泛發(fā)生的難易順序?yàn)椋旱啄?藍(lán)藻處理組>底泥處理組>藍(lán)藻處理組.底泥+藍(lán)藻處理組中Fe2+濃度為藍(lán)藻處理組的11~94倍，其平均濃度為后者的33倍，而底泥+藍(lán)藻處理組中還原性硫濃度為其他處理組的2~56倍.研究還發(fā)現(xiàn)，聚藻區(qū)底泥較非聚藻區(qū)更易發(fā)生湖泛，這是由于聚藻區(qū)底泥富集了更高濃度的鐵、硫等還原性物質(zhì)，但厭氧處理與非厭氧處理在誘發(fā)湖泛發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)差異不明顯.以上結(jié)果證實(shí)，厭氧環(huán)境下低價(jià)鐵硫供應(yīng)潛力的差異是決定湖泛發(fā)生的主要物質(zhì)來源，加強(qiáng)對聚藻區(qū)底泥及藍(lán)藻的控制是有效防控太湖湖泛發(fā)生的主要措施之一.

關(guān)鍵詞：湖泛；誘發(fā)；硫化亞鐵；底泥；藻體；太湖

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371479)和江蘇省太湖水污染治理專項(xiàng)(TH2013214)聯(lián)合資助.2014-11-28收稿；2015-01-08收修改稿.蔡萍(1991～)，女，碩士研究生；E-mail：18362958162@163.com.

湖泛又稱黑水團(tuán)，是近年來在我國東部淺水湖泊發(fā)生的一種突發(fā)性水污染事件.通常，人們認(rèn)為湖泛是由于藍(lán)藻高密度聚集、腐爛，在水動力的作用下發(fā)生的水體發(fā)黑、發(fā)臭現(xiàn)象.據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2007年無錫南泉水源地附近水域大規(guī)模暴發(fā)藍(lán)藻水華，發(fā)生面積為4 km2的湖泛， 2010年太湖西岸及北部灣水域出現(xiàn)4次湖泛，其中7月23日太湖西岸湖泛面積近6 km2，到2012年太湖西岸及北部灣水域發(fā)生10次小湖泛，湖泛水體相對于周圍未發(fā)生湖泛的水體含有較高濃度的可溶性有機(jī)物和較低的散射系數(shù)[1]，這種缺氧/厭氧體系穩(wěn)定存在的時(shí)間愈長，給湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成的危害和影響就越強(qiáng)烈[2].然而，對于湖泛的發(fā)生機(jī)制卻仍未十分了解.

湖泛發(fā)生過程中，伴隨著明顯的“黑臭現(xiàn)象”.所謂“黑”是指由于缺氧條件下產(chǎn)生的鐵硫化合物以及含硫有機(jī)質(zhì)顆粒，相關(guān)研究已表明，硫化亞鐵(FeS)是湖泛過程中主要的致黑因子[3-6]，湖泛體系低pH、低氧化還原電位(Eh)環(huán)境為還原性Fe系及S系物質(zhì)的穩(wěn)定存在提供了保證；而“臭”是指水體中揮發(fā)性硫化物(包括二甲基一硫、二甲基二硫、二甲基三硫及甲硫醇等)、醛類和醇類等物質(zhì).劉成等[7]研究指出藍(lán)藻的分解會產(chǎn)生高濃度的揮發(fā)性有機(jī)硫化物.劉國鋒等研究認(rèn)為湖泛發(fā)生過程中伴隨著Fe3+的還原以及還原性硫的大量生成[4]，來自于藍(lán)藻和底泥中的硫參與湖泛黑臭發(fā)生過程中，在強(qiáng)還原性的條件下，沉積物中的Fe3+會由于有機(jī)質(zhì)的礦化、硫化物的還原等因素轉(zhuǎn)化為Fe2+；大量的硫化物會還原為自由的S2-形態(tài)[8].沉積物中產(chǎn)生的S2-與Mn2+/Fe2+等金屬離子結(jié)合而產(chǎn)生黑色的金屬硫化物[9-10]，同時(shí)水體及沉積物中會產(chǎn)生很多種臭味物質(zhì)[11]，從而使水體發(fā)生“黑臭現(xiàn)象”.然而，對于湖泛發(fā)生過程中各種硫形態(tài)的參與度及其對湖泛發(fā)生的貢獻(xiàn)卻仍不清楚.

湖泛的發(fā)生常現(xiàn)于藍(lán)藻聚集區(qū)，且底泥有機(jī)質(zhì)含量相對較豐富.藻源性湖泛的發(fā)生是伴隨著藍(lán)藻、底泥共同參與下的產(chǎn)物.盧信等研究表明，有機(jī)物濃度只要達(dá)到一定負(fù)荷水平(1.0g/L)對水體有致黑作用，含硫有機(jī)物能使水體在7~13 d變黑，并使水體散發(fā)出惡臭[12].受湖泛區(qū)域氧化還原環(huán)境條件的影響，表層沉積物中酸可揮發(fā)性硫化物(acid volatile sulfide，AVS)顯著升高[13].而通過對藍(lán)藻、底泥以及藍(lán)藻+底泥對湖泛誘發(fā)潛力的研究是研究湖泛產(chǎn)生機(jī)制的有效途徑之一.沉積物的理化性質(zhì)是誘發(fā)湖泛的重要因素[14]，其中由于底泥中有機(jī)質(zhì)、硫酸根含量以及還原性硫賦存的差異可能會對湖泛的發(fā)生具有不同的誘發(fā)潛力，然而對于不同性質(zhì)沉積物下的湖泛發(fā)生研究卻鮮有報(bào)道.近年來持續(xù)發(fā)生湖泛事件，給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大困擾，而另一方面，對湖泛發(fā)生機(jī)制認(rèn)識的局限又極大地阻礙人們對湖泛的治理與預(yù)防，湖泛發(fā)生誘發(fā)原因的問題就是其中之一.本文將通過模擬實(shí)驗(yàn)，研究太湖不同介質(zhì)(藍(lán)藻、底泥和藍(lán)藻+底泥混合物)對湖泛誘發(fā)的潛力，分析湖泛發(fā)生過程中鐵、硫形態(tài)的變化趨勢，以初步闡明太湖湖泛發(fā)生過程中各介質(zhì)的作用.

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

2014年9月用重力采樣器(Rigio，內(nèi)徑11cm)于太湖竺山湖采集八房港(31°18′26″N，119°57′1″E)和焦山(31°20′47″N，120°5′5″E)柱狀樣品6根，每個(gè)點(diǎn)位采集3根.樣品于4 h內(nèi)低溫保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并將表層10cm擠出并充分混勻，于4℃冷藏待分析.另使用25#浮游生物網(wǎng)采集八房港和焦山樣點(diǎn)處聚集的藻類，沉積物樣品和藍(lán)藻用冰塊保存，24 h內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室.將采集回來的新鮮藍(lán)藻用雙層醫(yī)用紗布過濾除去大量水分，在4000 轉(zhuǎn)/min離心10min，收集聚集在離心杯上層的藍(lán)藻用于實(shí)驗(yàn).

1.2 樣品分析測定

沉積物含水率于105℃下恒重24 h測定，沉積物燒失量是將干燥的沉積物于550℃條件下灰化4 h，沉積物總氮(TN)、總磷(TP)用堿性過硫酸鉀氧化法測定.沉積物Fe2+和總鐵(TFe)含量用厭氧草酸法提取后，提取液采用菲啰嗪-鈉鹽比色法[15]于526 nm處比色測定，F(xiàn)e3+含量=TFe-Fe2+.

沉積物中的還原性無機(jī)硫(包括AVS、黃鐵礦(Pyrite-S)和單質(zhì)硫(ES))采用“冷擴(kuò)散”[16]法逐步提取.具體操作步驟為，稱取約4g沉積物樣品于500ml帶有三通閥塞的廣口瓶中，同時(shí)將盛有5ml 3%的堿性乙酸鋅的玻璃管置于廣口瓶中.測定AVS時(shí)，先加入6mol/L的鹽酸15ml，再加入1mol/L的抗壞血酸2ml，最后開三通閥充氮?dú)?min，隨即關(guān)閉，待反應(yīng)4 h后取出吸收管，提取液用亞甲基蘭比色法于650 nm處比色測定.向上述測定完AVS的樣品中，再次放入盛有5ml 3%的堿性乙酸鋅的玻璃管，然后注入15ml事先配好的Cr2+溶液，充氮?dú)?min，室溫下反應(yīng)48 h，取出吸收管，提取液用亞甲基蘭比色法于650 nm處比色測定，即可測得樣品中的Pyrite-S含量.向完成上述反應(yīng)的樣品中再放入盛有5ml 3%的堿性乙酸鋅的玻璃管，注入20ml二甲基甲酰胺溶液，充氮?dú)?min后，加入5ml濃鹽酸和5ml Cr2+溶液，室溫下反應(yīng)24 h，用亞甲基蘭比色法于650 nm處比色測定吸收液中的ES濃度.

測定培養(yǎng)樣品中還原性無機(jī)硫、Fe2+、TFe濃度及黑度值，還原性無機(jī)硫、Fe2+、TFe濃度測定方法同上，采用硫化亞鐵(FeS)標(biāo)準(zhǔn)曲線，用紫外分光光度計(jì)在550 nm處測定樣品的黑度值.其基本原理是新生成的FeS黑色晶體可短時(shí)間內(nèi)不被氧化而均勻分散在水中，根據(jù)黑色對光的吸收和懸浮顆粒對光的散射情況，在可見光范圍內(nèi)吸光度隨濃度呈正比關(guān)系.而Vc(抗壞血酸)是良好的抗氧化劑，可以加強(qiáng)體系的穩(wěn)定性，使Fe2+短時(shí)間內(nèi)不被氧化，將可操作時(shí)間延長.在可見光范圍內(nèi)，新生成的0~0.4mmol/L的鐵硫化物濃度與吸光度具有很好的線性相關(guān)性.用10mmol/L S2-(Na2S·9H2O配制)水溶液，10mmol/L Fe2+(FeSO4·7H2O配制)水溶液，10mmol/L Vc水溶液，用配置的FeS溶液與Vc溶液按1∶1的比例配置成0.04~0.40mmol/L FeS溶液，在550 nm處測定吸光度并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[17].

1.3 湖泛發(fā)生模擬

1.3.1 底泥、藍(lán)藻處理對湖泛的誘發(fā)作用為考察底泥、藍(lán)藻以及底泥與藍(lán)藻混合物質(zhì)對太湖湖泛的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，分別設(shè)置底泥、藍(lán)藻及藍(lán)藻+底泥3個(gè)處理組.具體操作步驟如下：在若干250ml的三角瓶中，分別加入50g底泥、25g藍(lán)藻以及25g藍(lán)藻+50g底泥，分別向各培養(yǎng)系統(tǒng)加入100ml去離子水.將每個(gè)處理組充氮?dú)?min，加塞密封.于不同時(shí)間段(第4、6、8、10、13、17 d)分別取出3個(gè)處理組中的重復(fù)樣品，分析各培養(yǎng)體系中的Fe2+、還原性硫形態(tài)及黑度等指標(biāo).其中，黑度的大小代表湖泛發(fā)生潛力的大小.

1.3.2 不同聚藻和厭氧程度影響底泥對湖泛的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)為考察底泥性質(zhì)對湖泛的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，分別獲取太湖聚藻區(qū)底泥(八房港)和非聚藻區(qū)(焦山)底泥，實(shí)驗(yàn)設(shè)置同上，即稱取不同采樣點(diǎn)的底泥50g、藍(lán)藻25g，置于裝有100ml去離子水的250ml三角瓶中，于35℃條件下培養(yǎng)，于不同時(shí)間獲取底泥混合樣，分析TFe、Fe2+、還原性硫形態(tài)及黑度等指標(biāo).

按照上述方法稱取聚藻區(qū)底泥50g、藍(lán)藻25g，設(shè)定多個(gè)重復(fù)，分別設(shè)置厭氧和非厭氧處理組，其中厭氧處理組的樣品需充氮?dú)獬醪⒓尤芊?，而非厭氧處理組指的是樣品不需充氮?dú)馊コ鯕獠⑶也患用芊馊?，所有樣品置?5℃條件下培養(yǎng)，并于不同時(shí)間獲取底泥混合樣，分析TFe含量、Fe2+含量、還原性硫形態(tài)及黑度等指標(biāo)，以探究不同厭氧程度對湖泛發(fā)生的影響.

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物及藍(lán)藻基本理化性質(zhì)

八房港和焦山底泥的基本理化性質(zhì)存在一定差異，八房港底泥中的還原性無機(jī)硫(AVS、Pyrite-S、ES)、Fe2+以及燒失量約為焦山的2倍，這可能是由于八房港常年處于藍(lán)藻沉積區(qū)，底泥中富含豐富的有機(jī)質(zhì)(表1)，氧化還原電位較低，能利用硫、鐵等物質(zhì)進(jìn)行還原.但八房港和焦山底泥中TN、TP、TFe含量差異不顯著.實(shí)驗(yàn)過程中所用藍(lán)藻含水率為96.83%，測定干藍(lán)藻中葉綠素a含量為34.32g/kg.

表1 沉積物的基本理化指標(biāo)Tab.1 The basic physico-chemicalcharacteristics of sediments

2.2 底泥和藻體對湖泛的誘發(fā)潛力與風(fēng)險(xiǎn)研究

藍(lán)藻+底泥處理組的黑度要顯著高于單獨(dú)底泥、單獨(dú)藍(lán)藻處理組(圖1)，這表明藍(lán)藻+底泥處理組更易引起湖泛的發(fā)生，而單純的藍(lán)藻死亡則不易誘發(fā)人的視覺感官所能觀察到的黑褐色(湖泛).藍(lán)藻+底泥處理組黑度值隨培養(yǎng)時(shí)間呈先上升后下降的趨勢，在第10 d達(dá)到最大值(0.82mmol/L)，水體從表觀上看呈黑色，并散發(fā)出刺鼻的惡臭.結(jié)果表明，承載一定有機(jī)負(fù)荷的底泥，在藍(lán)藻大量積聚且死亡分解后，水體較易產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象，也即容易發(fā)生湖泛，這可能是由于底泥中富含硫鐵等物質(zhì)，可以持續(xù)地為湖泛的發(fā)生提供供體，在維系湖泛的持久性方面具有重要作用.

圖1 不同處理組中黑度和還原性無機(jī)硫化物濃度隨時(shí)間的變化趨勢Fig.1 Development of blackness and reduced inorganic sulfur concentration in different treatment samples

藍(lán)藻+底泥處理組中，除培養(yǎng)10 d時(shí)的ES外，體系中低價(jià)硫化物濃度基本都最高，AVS濃度、Pyrite-S濃度分別為8、40 mg/L左右；其中單獨(dú)藍(lán)藻處理組AVS濃度為0.10~0.75 mg/L，平均濃度為0.43 mg/L，單獨(dú)底泥處理組AVS濃度為4.56~6.58 mg/L，平均值為5.57 mg/L，AVS濃度在培養(yǎng)過程中波動幅度較??；相對于單獨(dú)底泥和藍(lán)藻+底泥處理組，單獨(dú)藍(lán)藻處理組Pyrite-S濃度(0.10~0.91 mg/L)較低；單獨(dú)底泥處理組Pyrite-S濃度在15.11~35.36 mg/L之間，在第13 d達(dá)到最高；而藍(lán)藻+底泥處理組Pyrite-S 濃度從初始的15.89 mg/L增加到51.49 mg/L，在第10 d達(dá)到最大值.藍(lán)藻+底泥處理組Pyrite-S濃度平均值為單獨(dú)加藍(lán)藻處理組的66.7倍.而ES濃度變化特征類似，整體上呈先上升后下降的趨勢，均在第10 d達(dá)到最大值，藍(lán)藻+底泥處理組的ES濃度從初始的0.10 mg/L增加到0.75 mg/L，平均濃度約為單獨(dú)藍(lán)藻處理組的2倍.藍(lán)藻+底泥處理組還原性硫化物濃度分別為其他處理組的2~56倍，表明藍(lán)藻+底泥處理組對還原性無機(jī)硫化物的供應(yīng)潛力較大，較易誘發(fā)湖泛，單獨(dú)底泥處理組次之，而單獨(dú)藍(lán)藻處理組對其供應(yīng)的潛力較小.

樣品培養(yǎng)過程中3種處理組Fe2+濃度發(fā)生變化(圖2).單獨(dú)藍(lán)藻處理組在培養(yǎng)過程中，F(xiàn)e2+濃度為0.37~0.73 mg/L，而藍(lán)藻+底泥處理組Fe2+濃度隨培養(yǎng)時(shí)間一直呈上升趨勢，從初始的4.07 mg/L增加到69.19 mg/L，藍(lán)藻+底泥處理組中Fe2+濃度為藍(lán)藻處理組的11~94倍，其平均濃度為單獨(dú)藍(lán)藻處理組的33倍，且單獨(dú)底泥和藍(lán)藻+底泥處理組Fe2+濃度差異不大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，藍(lán)藻的死亡分解會產(chǎn)生少量的Fe2+，這也正說明了單獨(dú)底泥和藍(lán)藻+底泥處理組中Fe2+濃度差異很小.而前文分析表明：加藍(lán)藻和不加藍(lán)藻對樣品中還原性無機(jī)硫化物濃度會產(chǎn)生一定的影響，藍(lán)藻+底泥處理組要比單獨(dú)底泥處理組中產(chǎn)生的還原性無機(jī)硫化物濃度高，說明隨著藍(lán)藻的死亡分解加劇了底泥中的還原程度，為湖泛發(fā)生過程中產(chǎn)生的還原性Fe系及還原性S系物質(zhì)的維持穩(wěn)定提供必要條件，為水體發(fā)生黑臭的重要因素.

圖2 不同處理組中Fe2+濃度隨時(shí)間的變化趨勢Fig.2 Development of Fe2+ concentration in different treated samples

2.3 不同沉積物性質(zhì)對湖泛發(fā)生的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

以采集的藍(lán)藻聚集區(qū)(八房港)和非聚藻區(qū)(焦山)底泥為研究對象，研究不同性質(zhì)底泥對湖泛發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).從八房港和焦山底泥培養(yǎng)的樣品中黑度隨時(shí)間變化的特征(圖3)可以看出，八房港底泥培養(yǎng)樣品中黑度值(0.15~0.82mmol/L)要比焦山底泥培養(yǎng)樣品黑度值(0.07~0.45mmol/L)高，前者大致是后者的2倍，八房港底泥培養(yǎng)樣品的黑度值在第10 d達(dá)到最大值，觀察到水體顏色變黑并散發(fā)出刺鼻的臭味，而焦山底泥培養(yǎng)樣品中黑度值在第13 d達(dá)到最大值，散發(fā)出惡臭，但水體并未出現(xiàn)明顯的黑色.研究結(jié)果表明，聚藻區(qū)(八房港)底泥更易誘發(fā)湖泛，這可能是由于八房港底泥中富集了更高濃度的還原性鐵硫以及有機(jī)質(zhì)物質(zhì)(表1).

八房港底泥培養(yǎng)的樣品中各種硫形態(tài)濃度均較高，3種還原性無機(jī)硫化物的濃度大體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖3). 焦山底泥培養(yǎng)的樣品中AVS濃度為2.93~5.62 mg/L，而八房港底泥培養(yǎng)的樣品中AVS濃度從初始的1.65 mg/L增加到11.20 mg/L，其平均濃度為焦山的1.5倍；八房港和焦山底泥培養(yǎng)樣品中Pyrite-S濃度分別為15.89~51.49和5.86~24.41 mg/L，前者平均濃度為后者的2.2倍；焦山底泥培養(yǎng)的樣品中ES濃度為0.08~0.27 mg/L，八房港底泥培養(yǎng)的樣品中ES濃度從初始0.10 mg/L增加到0.75 mg/L.研究結(jié)果表明，雖然焦山底泥培養(yǎng)樣品中3種還原性無機(jī)硫化物濃度變化與八房港類似，但是相對于八房港來說，焦山底泥培養(yǎng)的樣品中還原性無機(jī)硫化物濃度較低，即聚藻區(qū)(八房港)底泥樣品對還原性無機(jī)硫化物的供應(yīng)潛力較大，而非聚藻區(qū)(焦山)底泥樣品對其供應(yīng)潛力較小.

圖3 聚藻區(qū)和非聚藻區(qū)底泥培養(yǎng)樣品中黑度和還原性無機(jī)硫化物濃度隨時(shí)間的變化趨勢Fig.3 Development of reduced inorganic sulfur concentration in sediment samples of synechococcus and non-synechococcus areas

雖然八房港底泥中的Fe2+濃度大致是焦山的2倍，但八房港和焦山底泥培養(yǎng)樣品中Fe2+濃度變化特征類似(圖4)，八房港底泥培養(yǎng)樣品中Fe2+濃度從第4 d的4.07 mg/L增加到69.19 mg/L，焦山底泥培養(yǎng)的樣品中Fe2+濃度從第4 d的2.62 mg/L增加到59.44 mg/L，兩者在培養(yǎng)到第6 d時(shí)濃度基本一致，主要原因是藍(lán)藻的死亡分解使水體形成了極度厭氧環(huán)境，使高價(jià)態(tài)含鐵化合物向低價(jià)態(tài)含鐵化合物轉(zhuǎn)化；雖然兩者濃度隨培養(yǎng)時(shí)間在上升，最終八房港底泥培養(yǎng)樣品中Fe2+濃度較焦山要高，這歸結(jié)于兩種底泥的其他基本理化性質(zhì)(表1)上的差異.

圖4 聚藻區(qū)和非聚藻區(qū)底泥培養(yǎng)樣品中Fe2+濃度隨時(shí)間的變化趨勢Fig.4 Development of Fe2+ concentration in sediment samples of synechococcus and non-synechococcus area

2.4 不同厭氧程度對湖泛發(fā)生的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

以八房港底泥和藍(lán)藻為研究對象，在厭氧和非厭氧兩種完全不同的環(huán)境下培養(yǎng)樣品，研究不同厭氧程度對湖泛發(fā)生的誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn).厭氧和非厭氧條件下培養(yǎng)樣品中黑度值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，厭氧條件下黑度值從初始的0.16mmol/L增加到0.82mmol/L，非厭氧條件下黑度值從初始的0.10mmol/L增加到0.61 mmol/L，厭氧條件下培養(yǎng)的樣品中黑度值要比非厭氧條件下稍高，但兩者黑度均在第10d達(dá)到最大值，水體顯現(xiàn)出黑色并有刺鼻的臭味(圖5).

在培養(yǎng)的初始階段，無論是厭氧還是非厭氧條件下，樣品中Fe2+濃度都相對較低(圖5)，在第6 d之后，F(xiàn)e2+濃度不斷上升，厭氧條件下培養(yǎng)樣品中的Fe2+濃度從初始的4.07 mg/L增加到69.19 mg/L，非厭氧條件下培養(yǎng)的樣品中Fe2+濃度從初始的5.53 mg/L增加到59.33 mg/L，二者總體上差異性不顯著.隨培養(yǎng)時(shí)間Fe2+濃度變化特征與黑度變化特征并不一致，即兩者的相關(guān)性不顯著.有學(xué)者研究[3-6]指出致黑的關(guān)鍵物質(zhì)是FeS，說明黑度不僅與Fe2+有關(guān)，還與還原態(tài)的S2-相關(guān).雖然在厭氧和非厭氧條件下，樣品在培養(yǎng)過程中Fe2+濃度總體趨勢不斷上升，但樣品黑度還因受到還原態(tài)的S2-濃度的影響，并不會呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢.

圖5 不同厭氧程度培養(yǎng)樣品中黑度和Fe2+濃度隨時(shí)間的變化趨勢Fig.5 Development of blackness and Fe2+ concentration in samples of different levels of anaerobic

相對于Pyrite-S來說，厭氧和非厭氧條件下AVS和ES濃度均在較低的范圍內(nèi)變化：AVS濃度分別為1.65~11.20、2.46~10.90 mg/L，平均濃度分別為6.24、6.68 mg/L，二者差值較??；厭氧和非厭氧條件下ES濃度均大致呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，厭氧條件下其濃度為0.10～0.75 mg/L，非厭氧條件下其濃度為0.09~0.97 mg/L，平均濃度分別為0.43、0.53 mg/L，二者的差值同樣比較小.厭氧、非厭氧條件下Pyrite-S濃度較高，分別為15.89~51.49、12.54~45.04 mg/L，二者變化特征一致，均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖6).

圖6 不同厭氧程度培養(yǎng)樣品中還原性無機(jī)硫濃度隨時(shí)間的變化趨勢Fig.6 Development of reduced inorganic sulfur concentrations in samples of different levels of anaerobic

綜上所述，厭氧和非厭氧兩種條件下還原性無機(jī)硫化物的濃度變化特征類似，均呈現(xiàn)先上升后下降之后又緩慢上升的趨勢.雖然相對于厭氧處理的樣品，非厭氧條件下樣品中溶解氧的初始濃度要高，但是藍(lán)藻的死亡分解使得水體中的溶解氧急劇下降，非厭氧條件下處理的樣品體系中經(jīng)歷了非厭氧-缺氧-厭氧的變化過程，使得非厭氧條件下處理的樣品形成相對厭氧的環(huán)境.從總體上來說，非厭氧條件下的還原性無機(jī)硫化物濃度要比厭氧條件下濃度稍高，但差異不顯著.

以上結(jié)果表明，在其他條件都相同的條件下，厭氧和非厭氧兩種條件下培養(yǎng)的樣品，還原性無機(jī)硫化物濃度和黑度隨時(shí)間變化的特征類似，即初始的非厭氧條件并不能降低湖泛發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).

3 結(jié)論

通過單獨(dú)底泥、單獨(dú)藍(lán)藻和藍(lán)藻+底泥處理組，以及受不同聚藻程度影響底泥的參與模擬，表明藍(lán)藻+底泥處理組最易誘發(fā)湖泛，底泥處理組次之，藍(lán)藻處理組最弱.底泥是湖泛發(fā)生必須物質(zhì)二價(jià)鐵和還原性硫的最重要來源，藻體的存在主要是通過其耗氧營造湖泛必須的低氧缺氧環(huán)境.因此推斷，富集鐵、硫以及生物有機(jī)體的底泥將會更易誘發(fā)湖泛的發(fā)生，因此，通過物理、化學(xué)、生化方法控制湖泊中藍(lán)藻的生物量，減輕湖體的污染負(fù)荷[18]，從而控制底泥中鐵和硫的量或使其向還原態(tài)轉(zhuǎn)化，消除厭氧環(huán)境將是防控太湖湖泛發(fā)生的關(guān)鍵措施.

參考文獻(xiàn)4

[1]Duan H， Ma R， Loiselle SAetal. Optical characterization of black water blooms in eutrophic waters.ScienceoftheTotalEnvironment， 2014， 482：174-183.

[2]申秋實(shí)，邵世光，王兆德等．風(fēng)浪條件下太湖藻源性 “湖泛” 的消退及其水體恢復(fù)進(jìn)程．科學(xué)通報(bào)， 2012， 57(12)：1060-1066．

[3]劉國鋒，何俊，范成新等．藻源性黑水團(tuán)環(huán)境效應(yīng)：對水-沉積物界面處Fe、Mn、S循環(huán)的影響．環(huán)境科學(xué)， 2010， 31(11)：2652-2660．

[4]劉國鋒，鐘繼承，何俊等．太湖竺山灣藻華黑水團(tuán)區(qū)沉積物中Fe、S、P的含量及其形態(tài)變化．環(huán)境科學(xué)， 2009， 30(9)：2520-2526．

[5]申秋實(shí)．藻源性湖泛致黑物質(zhì)的物化特征及其穩(wěn)定性研究[學(xué)位論文]．南京：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所， 2011：50-58．

[6]Shen Q， Zhou Q， Shang Jetal. Beyond hypoxia： Occurrence and characteristics of black blooms due to the decomposition of the submerged plantPotamogetoncrispusin a shallow lake.JournalofEnvironmentalSciences， 2014， 26(2)： 281-288.

[7]Liu C， Shen Q， Zhou Qetal. Precontrol of algae-induced black blooms through sediment dredging at appropriate depth in a typical eutrophic shallow lake.EcologicalEngineering， 2015， 77： 139-145.

[8]劉國鋒．藻源性湖泛對太湖沉積物-水界面物質(zhì)行為影響及預(yù)控研究[學(xué)位論文]．南京： 中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所， 2009．

[9]He YT， Wilson JT， Wilkin RT. Transformation of reactive ironminerals in a permeable reactive barrier (biowall) used to treat tce in groundwater.EnvironmentalScienceandTechnology， 2008， 42(17)：6690-6696.

[10]Luther Lii GW， Glazer B， Ma Setal. Iron and sulfur chemistry in a stratified lake：evidence for iron-rich sulfide complexes.AquaticGeochemistry， 2003， 9：87-110.

[11]李林．淡水水體中藻源異味化合物的分布、動態(tài)變化與講解研究[學(xué)位論文]．武漢：中國科學(xué)院水生生物研究所， 2005．

[12]盧信，馮紫艷，商景閣等．不同有機(jī)基質(zhì)誘發(fā)的水體黑臭及主要致臭物(VOSCs)產(chǎn)生機(jī)制研究．環(huán)境科學(xué)， 2012， 33(9)：3152-3159.

[13]申秋實(shí)，邵世光，王兆德等．太湖月亮灣湖泛發(fā)生過程模擬及水土物化性質(zhì)的響應(yīng)．水科學(xué)進(jìn)展， 2011， 22(5)：710-719.

[14]Shen Q， Liu C， Zhou Qetal. Effects of physical and chemical characteristics of surface sediments in the formation of shallow lake algae-induced black bloom.JournalofEnvironmentalSciences， 2013， 25(12)： 2353-2360.

[15]Rozan TF， Taillefert M， Trouwborst REetal. Iron-sulphur-phosphorus cycling in the sediments of a shallow coastal bay：Implications for sediment nutrient release and benthic macroalgal blooms.LimnologyandOceanography， 2002， 47(5)：1346-1354.

[16]Hsieh YP， Shieh YN. Analysis of reduced inorganic sulfur by diffusion methods：improved apparatus and evaluation for sulfur isotopic studies.ChemicalGeology， 1997， 137(3/4)：255-261.

[17]Feng Z， Fan C， Huang Wetal. Microorganisms and typical organic matter responsible for lacustrine “black bloom”.ScienceoftheTotalEnvironment， 2014， 470：1-8.

[18]陸桂華，馬倩．太湖水域“湖泛”及其成因研究．水科學(xué)進(jìn)展， 2009， 20(3)：438-442.

J.LakeSci.(湖泊科學(xué))， 2015， 27(4)： 575-582

?2015 byJournalofLakeSciences

The contribution of sediment and algal to the formation of black bloom and their potential to supply the black substance in waters in Lake Taihu

CAI Ping1， WU Yuchen1， LIU Xin1& YIN Hongbin2

(1：NanjingForestryUniversity，Nanjing210037，P.R.China)

(2：NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

Abstract：A laboratory simulation system was established to identify the contribution of algal and sediment (specially the treatments including algal， algal+sediment and sediment only) to the formation of black bloom in Lake Taihu. Blackness， iron and sulfur fractions were analyzed under varied anaerobic condition and the contribution and potential of sediment from different algal-loaded area to induce the black bloom were deduced. The results indicated the treatments have a descending order in the contribution to the formation of black bloom as： algal treatment

Keywords：Black bloom； induce； ferrous iron and sulfide； sediment； algal； Lake Taihu

通信作者**；E-mail：hbyin@niglas.ac.cn.

DOI10.18307/2015.0403