河海大学谭啸教授ES&T：富营养化湖泊中蓝藻胞外聚合物磷富集效应为不均衡的营养盐削减策略带来挑战
亮点
•发现了蓝藻胞外聚合物能有效富集磷元素。
•证明了胞外聚合物磷富集是蓝藻磷吸收利用的重要过程。
•评估了氮元素调控胞外聚合物磷富集效应的机制。
图片摘要
成果简介
近日，河海大学环境学院谭啸教授团队在Environmental Science & Technology期刊发表“Phosphorus Accumulation in Extracellular Polymeric Substances (EPS) of Colony-Forming Cyanobacteria Challenges Imbalanced Nutrient Reduction Strategies in Eutrophic Lakes”的研究论文。该论文指出胞外聚合物（EPS）中磷元素含量（胞外磷）占蓝藻聚集体总磷含量的比例较高，低氮磷比促使蓝藻分泌EPS和增加胞外磷含量，使得富营养化湖泊不均衡氮磷削减措施的成效受到挑战。该研究通过阐明EPS在蓝藻磷吸收利用过程中的作用机制，明确氮磷营养盐均衡削减对水华防治的重要性。
引言
磷元素输入是助长淡水湖泊中有害蓝藻大量繁殖的重要原因之一，降低了湖泊系统的生态服务价值，并威胁到人类健康。EPS是蓝藻群体形成的关键物质，其主要成分包括带有负电荷的多糖、蛋白质和腐殖质类。EPS拥有巨大的相对体积和表面积，可有效吸附水体中的磷元素，对蓝藻磷吸收过程可能起到关键作用。单方面氮浓度的减少能促使蓝藻分泌过量的EPS，可能导致吸附更多的磷，从而减缓水华治理成效。因此，明确EPS对藻体磷的影响机制，阐明氮浓度变化对藻体磷变化过程的影响，是实行有效营养盐管理措施的关键。本文通过野外调查和室内实验，系统研究了微囊藻EPS中磷元素形态和含量的动态过程，及其对氮磷有效性的响应。最后本研究评估和讨论了EPS中磷元素积累效应对湖泊营养盐管控措施的启示。
图文导读
室外实验采用2018年5月在太湖的贡湖湾和梅梁湾6个采样点采集的样本，测定其各项水质参数，并使用提取法测定EPS中P形态和含量，结果表明大约50%的藻体P储存在EPS中(图1a)，16.2% ~ 33.7%的EPS-P以SRP形式存在(图1b)。
图1太湖贡湖湾(G1, G2)和梅梁湾(M1−M4)蓝藻EPS中磷的分布。EPS-P表示EPS中P的含量；SRP：溶解性活性磷；TPSp：藻体总磷。
室内实验采用群体微囊藻，探究藻体对P的吸收过程(图2)。结果表明，无论初始P浓度如何，培养基中的P浓度迅速下降(图2a)，并且EPS-C含量会逐渐下降80%以上(图2b)。EPS-P、EPS-SRP和胞内磷含量的变化呈现单峰曲线，三者均在培养12 h后达到峰值(图2c,d,e)，随着时间延长而下降。经过9 d培养，在低磷培养组中EPS-P占细胞总磷的比例下降至约 40%，而在高磷培养组中该比例在55%左右波动。培养初期，EPS-P与EPS-C比会增加，然后保持相对稳定(图2f)，且EPS含量与EPS-P、EPS-SRP呈显著正相关(图2g-i)。
图2 培养基P浓度(a)、EPS-C (b)、EPS-P (c)、EPS-SRP (d)、胞内P (e)含量的变化，以及EPS-P与EPS-C的质量比(f)。P浓度为高(g)、中(h)、低(i)组的EPS-C含量与EPS-P或EPS-SRP含量的关系。EPS-P和EPS-SRP分别表示EPS中的总磷和活性磷。
在明确群体蓝藻EPS含量和EPS-N的关系后，实验继续探索N浓度限制对EPS中P含量的影响，并分析了EPS中各种P形态(图3,4)。结果显示N限制会导致EPS含量和EPS中P含量的增加(图3c,d)。相比较于对照组，缺N培养下EPS表面富含更多的P以及Fe、Ca、Al、Mg、Mn金属元素(图4 b, d)，这些金属元素的富集可能有利于结合水环境中的磷酸盐。
图3 不同氮浓度处理下生物量(a)、培养基pH (b)、EPS-C (c)和EPS-P (d)含量变化。由于在实验开始时没有测量pH值，因此缺少第0天的pH值数据。图中(a、b)中的箭头表示氮限制处理(黑色箭头)和对照(白色箭头)的样品采集时间。
图4 氮限制组(a)和对照组(c)藻体的SEM图像。能谱扫描(EDS)图中氮限制组(b)和对照组(d)藻体的EPS表面的C、P和其他元素的分布及其相对比例。
在以上实验的基础上，文章进一步分析了EPS-P积累和蓝藻N:P以及蓝藻生物量之间的关系，发现EPS-P含量与藻体总氮磷比值呈负相关关系(图5a)，说明低浓度氮有效性促进了EPS-P的积累。而EPS-P与PP:Chl a比值呈正相关(图5b)，表示EPS-P的积累会增加细胞总磷/蓝藻生物量(即Chl a浓度)的比例。
图5 EPS-P含量与藻体N:P比的关系(a)，水环境中EPS-P含量与PP:Chl a比值的关系(b)。
除此之外，本研究重新分析了太湖2013-2016年水质监测数据。其中，较高浓度的TN和TDN出现在春末(4、5月)，较高浓度的TP、TDP、Chl a和dAPS出现在夏季(6-8月)和初秋(图6a)。根据PCA分析(图6b)，dAPS浓度与TDN:TDP比值呈负相关，与TP呈正相关，而与TN、TDN、TDP、TN:TP、浮游植物生物量、PP:Chl a、温度之间无显著关系。营养盐浓度(TN、TP、TDN和TDP)、营养物质比(TN:TP和TDN:TDP)、浮游植物生物量和温度及其协变量的解释了dAPS总变化的44%以上。图6(c)所示，TP和浮游植物生物量与dAPS呈正相关，而TDN:TDP和TN:TP对dAPS呈负相关。这可能是因为氮含量减少能够通过增加EPS分泌，促使P结合到EPS上形成EPS-P，从而影响藻体磷含量。
图6 2013-2016年4 - 10月太湖贡湖湾溶解酸性多糖(dAPS)与营养盐浓度和比例、浮游植物生物的变化。TDN:TDP、TN:TP、浮游植物生物量(Chl a浓度)和dAPS的变化(a)，营养盐浓度(TN、TP、TDN、TDP)与其比值(TN:TP、TDN:TDP)、Chl a、PP:Chl a、气温、dAPS之间关系的主成分分析(b)，不同环境限制因素对dAPS变化的影响(c)。
小结
本研究结果表明，蓝藻EPS中积累了大量的磷元素，其中包含生物可利用的磷。EPS通过对磷的吸附积累使得藻细胞周围形成了富含磷的微环境，有利于抵御水体中磷通量的无序波动，维持蓝藻生长需求。氮素限制会增加蓝藻EPS分泌和磷的吸附结合能力，不利于控磷策略的成效发挥。因此，我们迫切需要更严格和更积极的控磷目标，以削弱蓝藻水华的发生。本研究鼓励采取均衡的方式来控制氮磷营养元素，使得削弱蓝藻水华获得最大化成效。
作者介绍
第一作者：段志鹏，河海大学环境学院博士后，主要从事蓝藻水华发生机制和防控研究，主持国家自然科学基金1项，中国博士后基金和江苏省博士后基金各1项，入选河海大学优秀博士论文和科技之星，以第一作者在ES&T、Limnology and Oceanography、Science of The Total Environment、Harmful Algae等二区以上发表论文十余篇。
通讯作者：谭啸，河海大学环境学院教授、博导，主要从事蓝藻水华治理和微藻资源化利用研究，主持国家自然科学基金项目3项，以第一作者或通讯作者在二区以上期刊发表论文三十余篇（其中，ES&T 2篇，Water Research 2篇，Limnology and Oceanography 1篇，Harmful Algae 3篇，Science of The Total Environment 2篇，Journal of Applied Phycology 2篇，Algal Research 1篇），曾获中科院院长优秀奖（2009），入选河海大学大禹学者（2021-2024）。
