Interactions between Lanthanum-Modified Bentonite(LMB) and Benthic Macroinvertebrates with Varied Bioturbation Modes

鑭改性膨潤(rùn)土（LMB）與不同生物擾動(dòng)模式的底棲大型無(wú)脊椎動(dòng)物之間的相互作用

來源：ACS EST Water 2025, 5, 177-187

《ACS環(huán)境科學(xué)與技術(shù)：水》2025年第5卷，第177-187頁(yè)

摘要內(nèi)容：

摘要探討了鑭改性膨潤(rùn)土（LMB）在富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中用于控制沉積物內(nèi)源磷時(shí)，與底棲大型無(wú)脊椎動(dòng)物的相互作用。研究選取三種典型生物擾動(dòng)模式的物種（顫蚓 Branchiura sowerbyi - 上運(yùn)型、搖蚊 Chironomus flaviplumus - 廊道擴(kuò)散型、蘿卜螺 Radix swinhoei - 生物擴(kuò)散型），通過微宇宙實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

大型無(wú)脊椎動(dòng)物不影響LMB整體除磷效率，但導(dǎo)致LMB在沉積物中垂直重分布（BS > CF > RS）。

BS的強(qiáng)烈擾動(dòng)可能降低LMB在沉積物-水界面（SWI）的除磷效果，但增強(qiáng)深層沉積物固磷能力；CF在表層形成孔洞和通道，破壞LMB覆蓋層完整性；RS對(duì)LMB擾動(dòng)最小。

LMB抑制RS和CF的生長(zhǎng)繁殖并增加死亡率，但BS雖富集鑭卻無(wú)顯著生存影響。

研究目的：

評(píng)估不同生物擾動(dòng)模式的底棲大型無(wú)脊椎動(dòng)物如何影響LMB的磷去除效率、鑭（La）遷移性，以及LMB對(duì)生物的生態(tài)毒性，為湖泊修復(fù)中LMB應(yīng)用提供生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。

研究思路：

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：設(shè)置8組微宇宙處理（對(duì)照組、單物種組、LMB組、LMB+物種組），模擬沉積物-水系統(tǒng)（沉積物8cm，上覆水16cm），添加LMB（按沉積物活性磷與La摩爾比1:1）。

生物擾動(dòng)模式：選取BS（上運(yùn)型，擾動(dòng)深達(dá)20cm）、CF（廊道擴(kuò)散型，0-4cm筑U型孔道）、RS（生物擴(kuò)散型，SWI表層活動(dòng)）。

監(jiān)測(cè)指標(biāo)：36天實(shí)驗(yàn)期內(nèi)定期檢測(cè)水體和沉積物參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束分析生物響應(yīng)。

數(shù)據(jù)分析：通過重復(fù)測(cè)量方差分析（ANOVA）比較組間差異，評(píng)估生物擾動(dòng)對(duì)LMB效能及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義（標(biāo)注來源圖/表）：

上覆水磷濃度（圖1A-B）：監(jiān)測(cè)PO?3?和TP動(dòng)態(tài)，反映LMB除磷效率及生物擾動(dòng)對(duì)其影響。BS顯著增加上覆水TP（0.22 mg/L），表明其擾動(dòng)降低SWI處LMB控磷效果。

孔隙水與沉積物磷分布（圖1C-D、圖3）：

孔隙水PO?3?（圖1C）：生物擾動(dòng)促進(jìn)沉積物深層磷向上遷移。

沉積物TP及磷形態(tài)（圖3）：BS使表層（0-1cm）活性磷（Pmobile）升高（350 mg/kg），深層（3-9cm）降低，表明擾動(dòng)導(dǎo)致LMB-P復(fù)合物深埋。

鑭（La）遷移性：

上覆水La3?/TLa（圖4A-B）：RS處理La濃度最高（25.9 μg/L），BS最低（20.0 μg/L），反映生物擾動(dòng)促進(jìn)La-P結(jié)合沉淀。

沉積物TLa分布（圖4D）：BS使LMB層下移（3-5cm濃度1356 mg/kg），證明其強(qiáng)垂直混合作用。

生物響應(yīng)：

死亡率：LMB使RS和CF死亡率分別增加39%和75%。

生長(zhǎng)繁殖：RS體長(zhǎng)增長(zhǎng)受抑（LMB組9.8 mm vs 對(duì)照組29.7 mm），CF羽化數(shù)量減少（LMB組7 vs 對(duì)照組12）。

BS生物標(biāo)志物：CAT和GST活性升高（活性比1.4-1.5），表明氧化應(yīng)激響應(yīng)，但無(wú)死亡率變化。

溶解氧（DO）滲透深度：使用丹麥Unisense微電極（分辨率100μm）測(cè)量，BS顯著降低SWI處DO濃度，促進(jìn)沉積物Fe3?還原為Fe2?，解釋磷釋放機(jī)制。

結(jié)論：

LMB效能：大型無(wú)脊椎動(dòng)物不改變LMB整體固磷量（各組TP沉積量無(wú)顯著差異），但通過垂直重分布影響局部磷循環(huán)。

物種特異性擾動(dòng)效應(yīng)：

BS（上運(yùn)型）：深埋LMB（深達(dá)8cm），降低SWI除磷效率但增強(qiáng)深層固磷；顯著降低上覆水La濃度。

CF（廊道擴(kuò)散型）：短期破壞LMB層完整性，促進(jìn)孔隙水交換，輕微影響除磷。

RS（生物擴(kuò)散型）：對(duì)LMB擾動(dòng)最小，但導(dǎo)致上覆水La濃度較高。

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)：LMB抑制RS和CF的生長(zhǎng)繁殖并增加死亡率；BS雖富集鑭（組織La濃度32.7 mg/kg）且擾動(dòng)最強(qiáng)，但無(wú)顯著生存影響，可能與耐受性相關(guān)。

應(yīng)用建議：需關(guān)注多物種共存對(duì)LMB的長(zhǎng)期影響，尤其顫蚓類高密度存在時(shí)的LMB深層遷移風(fēng)險(xiǎn)。

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：

Unisense微電極以高分辨率（100μm）測(cè)定沉積物DO滲透深度，其意義在于：

揭示氧化還原狀態(tài)：BS的深孔道灌溉增加深層沉積物氧滲透，促使Fe2?氧化為Fe3?并形成氫氧化鐵結(jié)合磷，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)BS處理SWI處DO降低（因有機(jī)質(zhì)礦化耗氧），導(dǎo)致Fe3?還原為Fe2?并釋磷。

解釋磷釋放機(jī)制：DO分布數(shù)據(jù)與孔隙水Fe2?升高（圖S6）直接關(guān)聯(lián)，證實(shí)生物擾動(dòng)通過改變沉積物氧化還原條件影響磷形態(tài)轉(zhuǎn)化（如鐵結(jié)合磷釋放）。

量化擾動(dòng)強(qiáng)度：DO剖面變化反映不同生物（BS > CF > RS）的擾動(dòng)深度差異（圖2F），為評(píng)估LMB層破壞程度提供依據(jù)。