水生所在沉积物还原容量的稳定机制研究中取得进展
沉积物还原容量（Reducing capacity，RC）是评估水体底层生境质量的核心指标，其稳定性决定有机碳、营养盐和污染物等生物地球化学循环过程。RC由还原性有机物（RedOr）、亚铁[Fe(II)]和还原态硫（Sn，−2 ≤ n <0）等物质组成。自然水体在风浪扰动、生物扰动和水位涨落等因素驱动下，沉积物—水界面持续经历剧烈的氧化还原震荡。然而，这种动态过程如何影响沉积物还原容量及组成，其背后的稳定机制究竟为何，迄今仍不清楚。
近日，中国科学院水生生物研究所李清曼研究员团队在环境领域国际期刊 Environmental Science & Technology 发表题为 "氧化还原交替驱动沉积物还原容量动态演变：还原性有机物主导的亚铁-硫协同机制（Redox Alternation Drives Dynamics of Sediment Reducing Capacity: Dominance of Reducing Organic Substances and Ferrous-Iron/Sulfur Synergistic Mechanisms）的论文，阐明了沉积物还原容量及其组分的变化规律与稳定机制，为水体沉积物的精细化分类管控提供了全新科学依据。
研究团队采集洪湖（HH）、峡山水库(XR)、渔洞水库(YR)和漳河水库(ZR)的表层沉积物，开展氧化还原交替培养实验，动态追踪了沉积物还原容量以及关键组分的变化，并结合铁化学形态分析，解析了不同还原类型沉积物的还原容量稳定机制。
基于综合还原容量指标，该研究将洪湖和峡山水库沉积物的还原类型归为 RedOr-Sn型，而渔洞水库和漳河水库为 RedOr-Fe(II)型（图1）。在持续54天的培养实验中，沉积物依次经历初始厌氧（Anoxic1）、氧化（Oxic1，0-12天）、再次厌氧（Anoxic2，13-42天）和再次氧化（Oxic2，43-54天）四个阶段。发现两类型沉积物的RC均呈现规律性变化：氧化下降，厌氧恢复，再氧化再下降，但RedOr-Sn型的变化幅度显著高于RedOr-Fe(II)型。如在厌氧恢复阶段，RedOr-Sn型RC平均增加 97.5 ± 61.5 cmol e⁻·kg⁻¹ DW，是RedOr-Fe(II)型（23.0 ± 14.0 cmol e⁻·kg⁻¹ DW）的 4.2倍；在再氧化阶段，RedOr-Sn型RC平均下降 102.0 ± 61.1 cmol e⁻·kg⁻¹ DW，降幅约为RedOr-Fe(II)型（33.5 ± 22.3 cmol e⁻·kg⁻¹ DW）的 3.0倍。该结果说明RedOr-Sn型沉积物的RC极不稳定，易受氧化还原交替过程的影响。
图1 氧化还原交替条件下，不同还原类型沉积物RC及其级分的变化
不同组分对RC变化的贡献结果显示，两类型还原沉积物RC变化机制不同（图2）。就RedOr-Sn型而言，RedOr是主要贡献者。在氧化、厌氧和再氧化阶段，其贡献率分别为55.8%、79.0%和78.7%；而对RedOr-Fe(II)型沉积物来说，相应贡献率分别为47.8%、59.8%和46.3%。Fe(II)对RedOr-Fe(II)型沉积物RC变化的贡献率高于RedOr-Sn型（38.6%-51.6%对13.3%-22.2%）。Sn的贡献率总体上相对较低，在RedOr-Sn型沉积物中为7.13%-21.9%，而在RedOr-Fe(II)型中仅为1.12%-2.12%。很明显，RedOr主导着沉积物RC变化，而Fe(II)和Sn的贡献大小则与沉积物的还原类型有关。
图2 氧化还原交替条件下，还原性物质（RedOr、Fe(II)和Sn）对沉积物RC变化的响应
沉积物RC的稳定性实质上取决不同还原性物质的含量与活性（图3）。RedOr-Sn型沉积物在厌氧阶段，不但RedOr、Fe(II)和Sn的含量升高，而且它们的活性也相应地增加。相比之下，RedOr-Fe(II)型沉积物在厌氧阶段只增强了Fe(II)的活性，而RedOr和Sn的含量与活性受影响有限。
图3 氧化还原交替条件下，沉积物中还原性物质（RedOr、Fe(II)和Sn）的耐氧化（RO）和易氧化（SO）组分的变化
两类还原型沉积物RC稳定性的差异取决于铁循环机理的不同（图4和图5）。RedOr-Sn型沉积物中易还原/可还原Fe(III)（Feox1/Feox2）含量低，而Fe(III)以则磁铁矿（Femag）为主（占总铁的约35%）。当沉积物缺氧时，易还原/可还原Fe(III)（Feox1/Feox2）因还原反应被完全消耗，竟而由磁铁矿和硫酸根替代为电子受体，接纳源于电子供体提供的电子（伴有黄铁矿的生成），从而导致还原性物质积累，沉积物RC升高。相比之下，RedOr-Fe(II)型沉积物中易还原/可还原Fe(III)含量高（两者合计平均占总铁的65.7%）。当沉积物缺氧时，它们的容量足够接纳源于电子供体的电子，从而抑制了还原性物质的积累，RC相对稳定。
图4 沉积物中不同铁形态对氧化还原交替的响应
根据不同类型沉积物RC的稳定机制，该研究进一步提出了差异化管理策略：对于RedOr-Sn型沉积物，应优先控制 RedOr积累和硫化过程；对于RedOr-Fe(II)型沉积物，则应重点维持铁循环的可逆性及活性Fe(III)库的稳定。
图5 氧化还原交替条件下，RedOr-Sn和RedOr-Fe(II)型沉积物RC、组成及铁形态变化概念模型
该研究由水生所联合成都理工大学、潍坊市峡山水库管理服务中心等单位共同完成。陈雪梅为论文第一作者，顾森副研究员和李清曼研究员为通讯作者。研究得到国家自然科学基金项目（41877397、42177038）资助。
