【摘 要】
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澎溪河是三峡库区水华暴发较为严重的支流之一,而营养物质含量过高是引起水体富营养化的主要原因,尤其是氮磷含量。沉积物作为淡水生态系统中各种营养物质和污染物的源或汇,存储有大量的氮磷和污染物,在氮磷的地球化学循环过程中起着重要作用,在外源输入得到有效控制的条件下,水体中营养物质浓度与沉积物有着较大的关联。而微塑料作为一种新兴的污染物,因其在环境中能为其他污染物提供载体并远距离运输,已成为众多研究者关注
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澎溪河是三峡库区水华暴发较为严重的支流之一,而营养物质含量过高是引起水体富营养化的主要原因,尤其是氮磷含量。沉积物作为淡水生态系统中各种营养物质和污染物的源或汇,存储有大量的氮磷和污染物,在氮磷的地球化学循环过程中起着重要作用,在外源输入得到有效控制的条件下,水体中营养物质浓度与沉积物有着较大的关联。而微塑料作为一种新兴的污染物,因其在环境中能为其他污染物提供载体并远距离运输,已成为众多研究者关注的焦点。随着塑料制品的大量生产和使用,微塑料进入水陆生生态系统的风险日益增加。进入水生环境的微塑料可以被分解并沉积在沉积物中。然而,迄今为止,大多数研究主要集中在土壤和海洋生态系统中,关于淡水湖泊沉积物系统中微塑料对营养物质的环境行为机制,特别是对沉积物内源磷的循环方面的研究较少。因此,本论文针对上述问题进行开展研究,具体内容和结果如下:(1)通过野外调查研究,探讨了三峡大坝水位调控对支流回水区沉积物中微塑料特征、氮磷含量和地壳金属含量变化的影响以及在低水位和高水位期三者的内在联系。本研究主要以三峡库区的一级支流澎溪河高阳湖作为研究区域,通过对低水位和高水位期支流回水区沉积物-水系统中的氮磷形态、地壳金属含量和微塑料特征变化进行野外调查,分析了它们的变化并探究了沉积物中微塑料特征与氮磷和金属含量的关系。研究结果表明,大坝水位变化导致了流域内支流水文条件发生了变化,水体流速降低,沉积物的停留时间增加显著影响了沉积物水系统营养物质、金属含量和微塑料特征。其中,水位变化明显改变了支流高阳湖段上覆水中NO2-、NO3-、NH4+、TN、PO43-和TP平均含量。低水位和高水位期沉积物中磷形态的优势组分是HCl-P,平均含量分别42.16%和50.78%,其次是Bio-P,平均贡献率分别为36.33%和31.03%。其中Na OH-IP和Na OH-OP对可生物利用Bio-P的贡献最大,其贡献率低水位期分别为21.11%和56.80%,高水位期为18.10%和57.24%。此外,高水位期沉积物中TN的含量显著降低,低水位和高水位期平均含量分别为668.38±149.38和467.35±187.88 mg/kg。(2)低水位和高水位期沉积物中微塑料的类型主要为尼龙(RY)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)和玻璃纸(CP),其平均丰度范围为0.20×10~2~3.40×10~3 n/kg和0.20×10~2~8.40×10~3 n/kg。低水位沉积物中微塑料的颜色和形状沉积物主要以黑色、透明、线状和纤维状为主,而高水位期蓝色、透明色、碎片和线状占主导地位。低水位期沉积物中微塑料粒径范围集中在0.1~2 mm,占比为95.6%,而高水位期主要以小于1 mm的尺寸存在。Pearson和PCA分析结果表明,低水位和高水位期微塑料对磷形态和金属浓度的影响更多地取决于其颜色、尺寸和粒径,而不是微塑料丰度。金属及其活性氧化物对微塑料特征的响应也可能会影响沉积物中内源磷的循环。该研究结果有助于了解三峡大坝在不同水位状态下支流沉积物-水系统中微塑料特征变化与营养物质和金属的关系,为今后系统评价微塑料在生态系统中的环境化学行为提供支持。(3)通过了室内受控实验,阐明了沉积物中微塑料对营养物质释放的影响机制。本研究在沉积物中添加0.5%(w/w)的聚氯乙烯(PVC)、聚乳酸(PLA)和聚丙烯(PP)微塑料进行微观世界实验,并通过16S r RNA基因测序对沉积物细菌群落生态功能进行预测评估。研究结果表明,微塑料的添加能显著影响沉积物中微生物群落组成和养分循环。PVC和PP微塑料能促进微生物的硝化和亚硝酸盐氧化作用,其中PP微塑料能显著促进碱性磷酸酶活性和磷调节(pho R)基因丰度。PLA微塑料具有促进微生物磷转运蛋白(ugp B)、固氮(nif D、nif H和nif X)和反硝化(nir S、nap A和nor B)基因丰度并抑制硝化作用的潜力,从而导致氨氮大量的累积和释放。此外,PLA微塑料虽抑制了碱性磷酸酶的活性和有机磷矿化基因(pho D)的丰度,但具备促进异化铁还原和亚硫酸盐异化还原的潜力,这可能促进沉积物磷的释放。该研究的结果可能有助于了解沉积物中微塑料对氮磷循环和微生物驱动的机制,为未来评估微塑料在淡水生态系统中的环境行为提供了基础。
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