大量研究表明，富營養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻衍生的有機(jī)碳會(huì)加劇沉積物中溫室氣體，尤其是CH4和CO2的產(chǎn)生和釋放，然而該現(xiàn)象的具體過程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍缺乏深入了解。本研究對長江中下游流域湖泊群開展了大尺度調(diào)查，并通過同位素標(biāo)記法構(gòu)建“藍(lán)藻-水-沉積物”的微宇宙系統(tǒng)，進(jìn)行了長達(dá)一年的藍(lán)藻衰亡模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，富營養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻的衰亡促進(jìn)了CH4和CO2的排放，且沉積物中有機(jī)碳濃度與孔隙水中溶解的CH4和CO2濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。微宇宙系統(tǒng)中同位素示蹤進(jìn)一步表明藻源性有機(jī)碳的輸入導(dǎo)致了表層沉積物中有機(jī)碳的顯著提高，并在表層沉積物上形成了藻積層。藻積層的厭氧和高有機(jī)質(zhì)環(huán)境增強(qiáng)了表層沉積物中生物源性CH4和CO2的產(chǎn)生。在藍(lán)藻聚集最為嚴(yán)重的微宇宙系統(tǒng)中，表層沉積物孔隙水中溶解態(tài)CH4和CO2的平均濃度分別達(dá)到了6.9和2.3 mol/L，超過了底層沉積物孔隙水中的4.7和1.4 mol/L，且表層沉積物中伴隨著更為活躍的微生物活動(dòng)。這些結(jié)果表明嚴(yán)重的藍(lán)藻衰亡導(dǎo)致了CH4和CO2的產(chǎn)生熱區(qū)由深層沉積物向表層沉積物遷移，其排放效率也得到了提升，從而進(jìn)一步加劇了湖泊溫室氣體的排放。這些發(fā)現(xiàn)有助于對富營養(yǎng)化湖泊沉積物碳排放過程和機(jī)制的深刻理解。

微電極分析系統(tǒng)應(yīng)用：

利用UDR和PDR新鮮沉積物和湖水，構(gòu)建兩個(gè)區(qū)域的微生物抑制和不抑制微宇宙系統(tǒng)。共構(gòu)建沉積物-水界面燒杯微宇宙系統(tǒng)共4組，各組兩個(gè)平行。于25℃培養(yǎng)10 d后利用微電極系統(tǒng)分析沉積物—水界面溶解氧的垂直剖面的分布。設(shè)定微電極系統(tǒng)電極穿刺步距為500μm，主機(jī)響應(yīng)時(shí)間為3 s。

圖1藍(lán)藻衰亡改變富營養(yǎng)化湖泊沉積物中CH4和CO2產(chǎn)生熱區(qū)的概念圖

圖2長江中下游流域湖泊群富營養(yǎng)化指數(shù)與（a）CH4和CO2釋放通量之間的相關(guān)性；（b）與溶存態(tài)CH4和CO2之間的相關(guān)性。

圖3長江中下游流域湖泊群（a）不同沉積物深度間隙水中溶存態(tài)CH4濃度；（b）不同沉積物深度間隙水中溶存態(tài)CO2濃度；（c）不同沉積物深度與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關(guān)性；（d）不同沉積物TOC與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關(guān)性。

圖4微宇宙系統(tǒng)中不同藍(lán)藻生物量添加下（a）CH4累積濃度（b）CO2累積濃度

圖5微宇宙系統(tǒng)中不同藍(lán)藻生物量添加下（a）不同沉積物深度TOC平均濃度；（b）不同沉積物深度δ13C平均值；（c）培養(yǎng)周期內(nèi)TOC濃度變化；（d）培養(yǎng)周期內(nèi)δ13C變化；（e）初始和最終δ13C值；（f）TOC和δ13C的相關(guān)性。

圖6微宇宙系統(tǒng)中不同藍(lán)藻生物量添加下（a）不同沉積物深度CH4溶存濃度；（b）不同沉積物深度CO2溶存濃度；（c）培養(yǎng)周期內(nèi)CH4溶存濃度變化；（d）培養(yǎng)周期內(nèi)CO2溶存濃度變化。

圖7微宇宙系統(tǒng)中不同藍(lán)藻生物量添加下（a）表層沉積物δ13C與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關(guān)性；（b）底層沉積物δ13C與溶存態(tài)CH4和CO2濃度的相關(guān)性；（c）表底層沉積物中溶存態(tài)CH4和CO2濃度的影響因素；（d）藍(lán)藻衍生碳對表底層沉積物中溶存態(tài)CH4和CO2濃度的貢獻(xiàn)。

圖8微宇宙系統(tǒng)中不同藍(lán)藻生物量添加下（a）表層沉積物中初始和最終的微生物群落結(jié)構(gòu)變化；（b）底層沉積物中初始和最終的微生物群落結(jié)構(gòu)變化。

本研究發(fā)現(xiàn)了富營養(yǎng)化湖泊中藍(lán)藻衰亡引起沉積物中產(chǎn)CH4和CO2熱點(diǎn)區(qū)域的遷移，顯著影響沉積物的碳釋放能力；野外調(diào)查結(jié)果顯示，富營養(yǎng)化湖泊表層孔隙水中CH4和CO2濃度顯著升高；藍(lán)藻衍生碳沉降在沉積物表面，形成了藻積層，導(dǎo)致了厭氧和高有機(jī)質(zhì)環(huán)境的產(chǎn)生；CH4和CO2的產(chǎn)生熱點(diǎn)區(qū)域向表層沉積物的遷移，提高了沉積物的碳排放效率。

丹麥Unisense微電極可穿刺水體、生物膜、顆粒污泥、植物根莖葉、液體-固體擴(kuò)散邊界層，研究微區(qū)、微生態(tài)的研究系統(tǒng)。微電極尖端僅有幾微米，能刺入樣品中、測量微環(huán)境、不破壞被測對象的結(jié)構(gòu)和生理活性、在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡、對流動(dòng)不敏感等特點(diǎn)?？纱┐痰綄ο髢?nèi)部檢測不同深度(ppb級)的O2、H2、H2S、NO、N2O、Redox、pH、溫度等指標(biāo)變化。