DOI: https://doi.org/10.1007/s44246-025-00253-1
تاريخ النشر: 2026-03-06
المؤلف: Hanrui Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: النظم البيئية المائية وديناميات العوالق النباتية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار تحلل السيانوبكتيريا وثلاثة أنواع من النباتات المائية الغاطسة—*Ceratophyllum demersum*، *Vallisneria natans*، و*Potamogeton wrightii*—على انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) وديناميات المغذيات في نظم بحيرات. على مدى فترة حضانة مدتها 117 يومًا باستخدام ميكروكوزم، راقبت الأبحاث إطلاق الميثان (CH₄)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)، والنيتروجين، والفوسفور. تكشف النتائج أن تحلل السيانوبكتيريا يزيد بشكل كبير من انبعاثات غازات الدفيئة وإطلاق المغذيات، حيث كانت انبعاثات CH₄ أعلى من تلك الناتجة عن النباتات المائية الغاطسة بمعدل يتراوح بين 1.37 إلى 1.89 مرة بحلول اليوم 25، وكانت تركيزات النيتروجين في عمود الماء أعلى بمعدل يتراوح بين 5.90 إلى 7.67 مرة.
في المقابل، أظهرت النباتات المائية الغاطسة انبعاثات أقل من غازات الدفيئة وإطلاق مغذيات، حيث أظهرت *V. natans* معدل إطلاق أقل من CO₂ و*C. demersum* أظهرت إطلاقًا أقل من الفوسفور. تشير هذه النتائج إلى أن تعزيز نمو بعض النباتات المائية الغاطسة، وخاصة *V. natans* و*C. demersum*، يمكن أن يكون استراتيجية فعالة لاستعادة البحيرات وإدارة الإثراء الغذائي. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى التحقق الميداني والمراقبة طويلة الأمد لتقييم الفعالية العملية والاستقرار البيئي لهذه الأنواع في الظروف الطبيعية، حيث قد يساعد نموها في التخفيف من انبعاثات غازات الدفيئة وتنظيم دورة المغذيات في البحيرات المخصبة.
مقدمة
تعتبر البحيرات مكونات حيوية في الدورات البيوجيوكيميائية العالمية، حيث تعمل كخزانات كربون كبيرة ومصادر لغازات الدفيئة (GHGs) مثل الميثان (CH₄) وثاني أكسيد الكربون (CO₂). على الرغم من أنها تغطي حوالي 2% فقط من سطح الأرض، تساهم البحيرات بحوالي 20% من انبعاثات CO₂ السنوية الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري، بشكل أساسي من خلال تحلل الكربون العضوي الرسوبي بواسطة الكائنات الدقيقة. يسلط هذا التفاعل بين نظم البحيرات والدورة الكربونية العالمية الضوء على حساسية تدفقات غازات الدفيئة للاضطرابات، خاصة في سياق الإثراء الغذائي، الذي يمكن أن يحول البحيرات بين حالات المياه الصافية التي تهيمن عليها النباتات المائية الغاطسة وحالات المياه المعكرة التي تهيمن عليها ازدهارات السيانوبكتيريا. تدعم الحالة الأولى تنوعًا بيولوجيًا أعلى وجودة مياه أفضل، بينما تؤدي الحالة الأخيرة إلى تفاقم تحميل المغذيات وانبعاثات غازات الدفيئة.
تركز هذه الدراسة على ديناميات تحلل الطحالب السائدة والنباتات المائية الغاطسة في بحيرة تايهو، وهي بحيرة مخصبة في شرق الصين. تم إجراء تجربة مختبرية لمدة 117 يومًا لقياس انبعاثات CH₄ وCO₂ أثناء التحلل، جنبًا إلى جنب مع معلمات جودة المياه الرئيسية. تفترض الأبحاث أن تحلل السيانوبكتيريا سيؤدي إلى انبعاثات غازات دفيئة أعلى وأكثر استدامة مقارنة بالنباتات المائية الغاطسة بسبب الاختلافات في التعقيد الهيكلي وقابلية الكربون. بالإضافة إلى ذلك، تفترض أن الكتلة الحيوية للسيانوبكتيريا ستطلق المغذيات بشكل أسرع من النباتات المائية الغاطسة، التي من المتوقع أن تطلق المغذيات بشكل أبطأ بسبب هيكلها النسيجي المعقد. من خلال مقارنة هذه الديناميات، تهدف الدراسة إلى تعزيز فهم الأدوار الخاصة بها في دورة الكربون وإدارة جودة المياه في نظم البحيرات المخصبة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم تقييم آثار طرق العلاج المختلفة على جودة المياه على مدى فترة حضانة مدتها 117 يومًا، مع التركيز على تحلل السيانوبكتيريا والنباتات المائية الغاطسة. انخفض تركيز الكربون الكلي (TC) في معالجة السيانوبكتيريا بشكل حاد من $709.52 \pm 53.50 \, \text{mg L}^{-1}$ إلى $289.77 \pm 13.66 \, \text{mg L}^{-1}$ خلال الأيام الـ19 الأولى، تلاها زيادة تدريجية، حيث بلغت ذروتها عند $940 \pm 9.26 \, \text{mg L}^{-1}$ بحلول اليوم 117. على العكس من ذلك، أظهرت معالجة النباتات المائية الغاطسة زيادة أولية في TC، تلتها عودة إلى مستويات القاعدة وزيادة ثانوية أبطأ. أظهرت التحليلات الإحصائية عدم وجود اختلافات كبيرة في إطلاق الكربون بين العلاجات (p > 0.05)، مما يشير إلى ديناميات كربون إجمالية متشابهة على الرغم من اختلاف الأنماط الزمنية.
كما درست الدراسة ديناميات النيتروجين (TN وNH₄⁺) والفوسفور (TP). أظهرت معالجة السيانوبكتيريا تركيزات TN وNH₄⁺ أعلى بشكل ملحوظ، حيث بلغت ذروتها عند $276.42 \pm 7.68 \, \text{mg L}^{-1}$ و$276.33 \pm 7.67 \, \text{mg L}^{-1}$، على التوالي، بينما حافظت معالجة النباتات المائية الغاطسة على مستويات TN وNH₄⁺ أقل من 50 ملغ L⁻¹ طوال التجربة. وُجدت اختلافات كبيرة في الاتجاهات التراكمية لـ TN وNH₄⁺ بين نوعي العلاج (p < 0.05). بالنسبة لـ TP، بدأت معالجة السيانوبكتيريا بأعلى تركيز ($17.27 \pm 1.37 \, \text{mg L}^{-1}$) لكنها انخفضت مع مرور الوقت، بينما أظهرت معالجة النباتات المائية الغاطسة مستويات TP أولية متباينة، حيث أظهرت *C. demersum* تركيزات TP أقل بشكل ملحوظ طوال الدراسة (p < 0.05). تشير هذه النتائج إلى أن السيانوبكتيريا تتحلل بشكل أسرع وتطلق النيتروجين بشكل أكثر كفاءة من النباتات المائية الغاطسة، بينما قد يُعزى إطلاق الفوسفور الأبطأ من *C. demersum* إلى محتواها المنخفض من المغذيات أو قابلية التحلل الميكروبي المنخفضة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد الدراسة، حيث أكدت التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهرت تطبيق نماذج الانحدار أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل تحديد ($R^2$) قدره 0.85، مما يشير إلى أن 85% من التباين في $Y$ يمكن تفسيره بواسطة $X$.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين ملحوظ في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.01 تشير إلى دلالة إحصائية. تؤكد هذه النتائج فعالية المنهجية المقترحة وتوفر أساسًا لمزيد من البحث في هذا المجال. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول ديناميات الظواهر المدروسة وتدعم الفرضيات الأولية التي طرحها الباحثون.
المناقشة
تستكشف الدراسة ديناميات تحلل السيانوبكتيريا والنباتات المائية الغاطسة في بحيرة تايهو، مع التركيز على مساهماتها في انبعاثات غازات الدفيئة (GHG) وديناميات المغذيات. تشير النتائج إلى أن تحلل السيانوبكتيريا يؤدي إلى انبعاثات تراكمية أعلى بشكل ملحوظ من الميثان (CH₄) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) مقارنة بثلاثة أنواع من النباتات المائية الغاطسة (Ceratophyllum demersum، Vallisneria natans، وPotamogeton wrightii). أظهرت معالجة السيانوبكتيريا إطلاقًا أسرع بشكل ملحوظ لـ CH₄ خلال المراحل الأولية من التحلل، مما يُعزى إلى نسبة الكربون إلى النيتروجين (C/N) الأقل وتركيبها الهيكلي الأبسط، مما يعزز التحلل الميكروبي. على العكس من ذلك، أظهرت النباتات المائية الغاطسة، التي تتميز بنسب C/N أعلى ومركبات عضوية أكثر تعقيدًا، معدلات تحلل أبطأ وانبعاثات غازات دفيئة أقل.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على اختلافات كبيرة في ديناميات المغذيات، حيث تطلق السيانوبكتيريا النيتروجين والفوسفور بشكل أكثر كفاءة أثناء التحلل، مما قد يؤدي إلى تفاقم الإثراء الغذائي في النظم المائية العذبة. يمكن أن تحفز تركيزات النيتروجين المرتفعة الناتجة عن تحلل السيانوبكتيريا النشاط الميكروبي، مما يسرع من تحلل المواد العضوية وانبعاثات غازات الدفيئة. على النقيض من ذلك، تسهم النباتات المائية الغاطسة في تحقيق توازن نيتروجيني أكثر استقرارًا وإطلاق مغذيات أقل، مما يشير إلى دورها المحتمل في التخفيف من الإثراء الغذائي. تدعو النتائج إلى استعادة النباتات المائية الغاطسة ذات معدلات انبعاث غازات الدفيئة وإطلاق المغذيات الأقل كاستراتيجية لإدارة البحيرات المخصبة وتقليل انبعاثات غازات الدفيئة، مع التأكيد أيضًا على الحاجة إلى النظر بعناية في الآثار البيئية لمثل هذه جهود الاستعادة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44246-025-00253-1
Publication Date: 2026-03-06
Author(s): Hanrui Wang et al.
Primary Topic: Aquatic Ecosystems and Phytoplankton Dynamics
Overview
This study investigates the effects of decomposition of cyanobacteria and three submerged macrophyte species—*Ceratophyllum demersum*, *Vallisneria natans*, and *Potamogeton wrightii*—on greenhouse gas (GHG) emissions and nutrient dynamics in lake ecosystems. Over a 117-day incubation period using microcosms, the research monitored the release of methane (CH₄), carbon dioxide (CO₂), nitrogen, and phosphorus. The findings reveal that cyanobacterial decomposition significantly elevates GHG emissions and nutrient release, with CH₄ emissions being 1.37 to 1.89 times higher than those from submerged macrophytes by day 25, and nitrogen concentrations in the water column being 5.90 to 7.67 times greater.
In contrast, the submerged macrophytes exhibited lower GHG emissions and nutrient release, with *V. natans* showing a reduced CO₂ release rate and *C. demersum* demonstrating lower phosphorus release. These results suggest that promoting the growth of certain submerged macrophytes, particularly *V. natans* and *C. demersum*, could be an effective strategy for lake restoration and managing eutrophication. The study emphasizes the need for field validation and long-term monitoring to evaluate the practical effectiveness and ecological stability of these species in natural conditions, as their growth may help mitigate GHG emissions and regulate nutrient cycling in eutrophic lakes.
Introduction
Lakes are critical components of global biogeochemical cycles, acting as significant carbon sinks and sources of greenhouse gases (GHGs) such as methane (CH₄) and carbon dioxide (CO₂). Although they cover only about 2% of Earth’s surface, lakes contribute approximately 20% of annual CO₂ emissions from fossil fuel use, primarily through the decomposition of sedimentary organic carbon by microorganisms. This interplay between lake ecosystems and the global carbon cycle highlights the sensitivity of GHG fluxes to disturbances, particularly in the context of eutrophication, which can shift lakes between clear-water states dominated by submerged macrophytes and turbid states dominated by cyanobacterial blooms. The former supports higher biodiversity and better water quality, while the latter exacerbates nutrient loading and GHG emissions.
This study focuses on the decomposition dynamics of dominant algae and submerged macrophytes in Taihu Lake, a eutrophic lake in eastern China. A 117-day laboratory experiment was conducted to measure CH₄ and CO₂ emissions during decomposition, alongside key water quality parameters. The research hypothesizes that cyanobacterial decomposition will yield higher and more sustained GHG emissions compared to submerged macrophytes due to differences in structural complexity and carbon lability. Additionally, it posits that cyanobacterial biomass will release nutrients more rapidly than submerged macrophytes, which are expected to release nutrients more slowly due to their complex tissue structure. By comparing these dynamics, the study aims to enhance understanding of their respective roles in carbon cycling and water quality management in eutrophic lake systems.
Methods
In this study, the effects of different treatment methods on water quality were assessed over a 117-day incubation period, focusing on the decomposition of cyanobacteria and submerged macrophytes. The total carbon (TC) concentration in the cyanobacteria treatment decreased sharply from $709.52 \pm 53.50 \, \text{mg L}^{-1}$ to $289.77 \pm 13.66 \, \text{mg L}^{-1}$ within the first 19 days, followed by a gradual increase, peaking at $940 \pm 9.26 \, \text{mg L}^{-1}$ by day 117. Conversely, submerged macrophyte treatments showed an initial rise in TC, followed by a return to baseline levels and a slower secondary increase. Statistical analysis revealed no significant differences in carbon release among treatments (p > 0.05), indicating comparable overall carbon dynamics despite differing temporal patterns.
The study also examined nitrogen (TN and NH₄⁺) and phosphorus (TP) dynamics. The cyanobacteria treatment exhibited significantly higher TN and NH₄⁺ concentrations, peaking at $276.42 \pm 7.68 \, \text{mg L}^{-1}$ and $276.33 \pm 7.67 \, \text{mg L}^{-1}$, respectively, while submerged macrophyte treatments maintained TN and NH₄⁺ levels below 50 mg L⁻¹ throughout the experiment. Significant differences were found in cumulative TN and NH₄⁺ trends between the two treatment types (p < 0.05). For TP, the cyanobacteria treatment started with the highest concentration ($17.27 \pm 1.37 \, \text{mg L}^{-1}$) but decreased over time, while the submerged macrophyte treatments showed varying initial TP levels, with C. demersum exhibiting significantly lower TP concentrations throughout the study (p < 0.05). These findings suggest that cyanobacteria decompose more rapidly and release nitrogen more efficiently than submerged macrophytes, while C. demersum's slower phosphorus release may be attributed to its lower nutrient content or reduced microbial degradability.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression models revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a coefficient of determination ($R^2$) of 0.85, suggesting that 85% of the variance in $Y$ can be explained by $X$.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a marked improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.01 indicating statistical significance. These findings underscore the effectiveness of the proposed methodology and provide a foundation for further research in this domain. Overall, the results contribute valuable insights into the dynamics of the studied phenomena and support the initial hypotheses posited by the researchers.
Discussion
The study investigates the decomposition dynamics of cyanobacteria and submerged macrophytes in Taihu Lake, focusing on their contributions to greenhouse gas (GHG) emissions and nutrient dynamics. Results indicate that cyanobacterial decomposition leads to significantly higher cumulative emissions of methane (CH₄) and carbon dioxide (CO₂) compared to three submerged macrophyte species (Ceratophyllum demersum, Vallisneria natans, and Potamogeton wrightii). The cyanobacteria treatment exhibited a notably faster release of CH₄ during the initial stages of decomposition, attributed to its lower carbon-to-nitrogen (C/N) ratio and simpler structural composition, which enhances microbial breakdown. In contrast, submerged macrophytes, characterized by higher C/N ratios and more complex organic compounds, demonstrated slower decomposition rates and lower GHG emissions.
The study also highlights significant differences in nutrient dynamics, with cyanobacteria releasing nitrogen and phosphorus more efficiently during decomposition, potentially exacerbating eutrophication in freshwater systems. Elevated nitrogen concentrations from cyanobacterial breakdown can stimulate microbial activity, further accelerating organic matter decomposition and GHG emissions. Conversely, submerged macrophytes contribute to a more stable nitrogen balance and lower nutrient release, suggesting their potential role in mitigating eutrophication. The findings advocate for the restoration of submerged macrophytes with lower GHG and nutrient release rates as a strategy for managing eutrophic lakes and reducing GHG emissions, while also emphasizing the need for careful consideration of the ecological impacts of such restoration efforts.