大型植物与藻类主导的湖泊中溶解有机物-铁-磷（DOM-Fe-P）复合物的稳定性差异：微生物调控与有机物来源控制

《Environmental Research》：Divergent stability of dissolved organic matter-iron-phosphorus (DOM-Fe-P) complexes in macrophyte-versus algae-dominated lakes: Microbial regulation and organic matter source control

藻类与植物主导湖泊DOM-Fe-P稳定性差异及微生物调控机制研究。通过BD提取法对比两类湖泊，发现ADL因富 Fulvic-like DOM导致高P/Fe和低OC/Fe，红ox敏感；MDL因硫竞争及酚类保护作用更稳定。微生物群落分析揭示DOM源调控铁还原与硫循环。

　　

王景龙|周盼盼|周伟成|朱宇|李根宝|王志聪|李敦海

中国科学院水生生物研究所，中国武汉430072

摘要

内源性磷（P）的释放是富营养化的关键驱动因素，其很大程度上受到溶解有机物-铁-磷（DOM-Fe-P）复合物稳定性的调控。然而，传统的柠檬酸-碳酸氢盐-硫代硫酸盐（CBD）提取方法无法区分自然条件下DOM在稳定DOM-Fe-P中的作用，因为它会无差别地提取活性和稳定的铁氧化物池。在这里，我们采用了碳酸氢盐-硫代硫酸盐（BD）提取方法来分离以藻类为主（ADL）和以大型水生植物为主（MDL）湖泊中的这些铁氧化物池，并结合微生物群落分析来揭示DOM驱动的稳定机制。ADL中的DOM-Fe-P表现出更高的P/Fe摩尔比，但有机碳/Fe（OC/Fe）摩尔比较低，这与DOM的可降解性、碳-磷化学计量比以及微生物群落的差异一致。在ADL中，活性池中的类腐殖质富里酸成分可能起到了电子穿梭的作用，增加了DOM-Fe-P的氧化还原敏感性。相反，MDL由于硫化物与铁的竞争以及多酚对铁的稳定作用而表现出更高的稳定性。微生物数据表明，藻类来源的DOM促进了多样的微生物群落，增强了铁的还原和DOM的降解，而大型水生植物来源的DOM则加强了微生物间的合作和硫循环。这些发现强调了有机物来源作为DOM-Fe-P稳定性关键调控因素的重要性，为管理富营养化湖泊中的内源性磷释放提供了机制基础。

引言

蓝藻水华是富营养化的全球生态后果，对水生生态系统构成了重大威胁。在受影响频繁的水体中，主要营养源已从外部磷输入转变为内部磷的释放（Chen等人，2025；Xu等人，2021；Zhao等人，2025）。沉积物中的铁结合磷（Fe-P）占总磷的30%-70%，在缺氧条件下通过还原作用成为主要的生物可利用磷池（Heinrich等人，2021；Yin等人，2022）。重要的是，Fe-P的释放不仅涉及铁的还原，还涉及溶解有机物-铁-磷（DOM-Fe-P）三元复合物的形成，其稳定性决定了磷的再动员潜力（Dai等人，2022；Jiang等人，2023）。虽然已知有机物（OM）来源会影响DOM-Fe-P的形成和稳定性（Liu等人，2023），但在野外条件下不同DOM来源的调控机制仍不甚明了。

目前关于DOM-Fe-P稳定性的研究主要依赖于提取的DOM或合成的铁氧化物，忽略了沉积物中天然存在的铁相之间的关键差异（Barber等人，2017；Dai等人，2022；Luo等人，2022）。具体来说，这些研究未能解释非晶态/结晶度低的（活性池）与高结晶度（稳定池）铁氧化物在复杂稳定过程中的不同作用。活性池形成的复合物与微生物的结合较为松散，更易于被微生物利用，而稳定池则通过表面复合形成致密、抗还原的结构（Barber等人，2017；Osafo等人，2022）。

方法上的限制进一步复杂化了这一研究领域。尽管柠檬酸-碳酸氢盐-硫代硫酸盐（CBD）方法已被广泛用于DOM-Fe-P的提取（Fisher等人，2020；Li等人，2024；Liu等人，2023），但它无法区分这些功能不同的铁氧化物池。此外，CBD提取方法会引入FeS、黄铁矿和铝结合磷等杂质，系统性地扭曲DOM-Fe-P的OC/Fe和P/Fe摩尔比（Jan等人，2013；Jan等人，2015）。这些局限性凸显了使用更具选择性的碳酸氢盐-硫代硫酸盐（BD）方法重新评估DOM-Fe-P动态的迫切需求，该方法能够保留特定池的化学特征。简而言之，CBD方法同时提取活性和稳定的铁氧化物池，而BD方法可以分离它们并避免引入FeS和黄铁矿。

从以大型水生植物为主（MDL）向以藻类为主（ADL）的湖泊转变标志着湖泊的浅层富营养化。这一转变伴随着DOM化学组成的根本变化：大型水生植物来源的DOM（M-DOM）富含木质素和单宁，而藻类来源的DOM（A-DOM）则以脂质和蛋白质为主（Deng等人，2023；He等人，2023；Pan等人，2020）。这些组成差异表明它们与DOM-Fe-P复合物的相互作用可能存在差异，但它们在不断变化的沉积物物理化学条件下的具体调控效应仍不甚清楚。

为填补这一知识空白，我们在巢湖（ADL）和玉桥水库（MDL）进行了比较研究，采用了碳酸氢盐-硫代硫酸盐（BD）顺序提取结合微生物群落分析的方法。我们的研究具体旨在：（1）表征A-DOM和M-DOM与活性和稳定铁氧化物池之间的不同结合情况；（2）揭示受DOM来源影响的DOM-Fe-P组成和稳定性调控机制。这项研究旨在为管理内源性磷释放提供关键见解，并加深我们对湖泊系统中DOM生物地球化学循环的理解。

研究区域和采样设计

采样工作于2021年7月至8月进行，对象为两个对比明显的水生系统：巢湖（安徽省）和玉桥水库（天津市）。在巢湖建立了16个采样点（ADL1-ADL16），该湖泊为浅水湖泊（平均深度：3.8米），易发生夏秋季节的蓝藻水华（水温：28.0°C），西部区域有大量藻类浮渣。在玉桥水库建立了15个采样点（MDL1-MDL15）（平均深度：4.5米）；

沉积物中的磷组分

ADL和MDL的沉积物中磷组分存在显著差异。就沉积物总磷（STP）而言，ADL的西北部和MDL的东南部含量最高。然而，ADL的STP总体显著高于MDL（图2A-B）。在ADL和MDL中，STP主要由Fe-P、Ca-P、ASOP和Res-P组成，而H₂O-P、Sugar-P、Poly-P和NaOH-P的含量较少（表S1–S2）。

以大型水生植物和藻类为主的湖泊沉积物中磷组分的差异

ADL和MDL沉积物中磷组分的差异反映了以藻类为主（ADL）和以大型水生植物为主（MDL）湖泊条件下不同有机物来源的影响（Wang等人，2023a）。ADL中较高的Fe-P含量与巢湖长期的富营养化和频繁的蓝藻水华有关。藻类来源的OM（A-DOM）快速矿化促进了Fe-P的形成，其迁移性与其沉积物的氧化还原条件密切相关

结论

本研究采用BD提取、EEM和微生物分析方法，比较了以藻类为主（ADL）和以大型水生植物为主（MDL）湖泊中DOM–Fe–P的稳定性。ADL沉积物表现出更高的P/Fe比、较低的OC/Fe比以及更强的富里酸化作用，增加了氧化还原敏感性和磷释放风险。相比之下，MDL由于富含多酚的DOM通过硫竞争抑制了微生物对铁的还原作用而表现出更高的稳定性。微生物群落的差异进一步强化了Fe、P和S之间的不同作用

CRediT作者贡献声明

李根宝：研究监督、资金获取。朱宇：软件使用、资源提供、研究实施。李敦海：写作 – 审稿与编辑、研究监督、资源提供、项目管理、资金获取、概念构思。王志聪：写作 – 审稿与编辑、研究监督、项目管理、资金获取、概念构思。王景龙：写作 – 初稿撰写、数据可视化、方法设计、研究实施、资金获取、数据分析

未引用参考文献

Fenner和Freeman，2020；Golterman等人，1997；Henseler和Sarstedt，2013；Jan等人，2013；Jan等人，2015。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3207802）、河南省自然科学基金（252300420868）、河南省高等学校重点科研项目（25B180011）、南阳师范学院博士专项项目（2025ZX003）以及国家自然科学基金（41977285）的共同支持。