近日，中国科学院水生生物研究所汪志聪团队研究了一种新型的基于镧（La）的水凝胶，旨在控制湖泊富营养化，特别是针对蓝藻水华问题。文章从沉积物中磷的释放特性、硫驱动的自养反硝化作用以及蓝藻水华响应三个维度，深入探讨了该水凝胶的效率和作用机制。研究结果“Efficiency and mechanism of a novel La-based hydrogel designed for controlling lake eutrophication: Insight from phosphorus release characteristics of sediment, sulfur-driven autotrophic denitrification and cyanobacterial bloom response”为题，在环境科学领域尤其是水研究方向的顶级期刊《Water Research》（IF = 11.4）发表，第一作者为中国科学院水生生物研究所陈沁怡。

文章信息

第一作者：陈沁怡

已有研究表明，传统营养盐钝化剂往往针对单一元素调控，且工艺复杂、能耗较高。本研究开发了一种介孔网络结构的球形镧基水凝胶，可同步实现水体中氮磷营养盐的高效控制。该水凝胶骨架由海藻酸钠与镧交联形成，包裹游离态 La³⁺。制备过程无需高能耗技术且不产生废弃物，试剂可循环利用。通过吸附动力学测试、冷冻电镜观测及孔径分析发现，介孔结构可屏蔽内部游离La³⁺，避免其快速释放造成的浪费。球形框架中交联的La³⁺会随微生物降解多糖骨架逐步释放，在沉积物中营造厌氧环境的同时钝化可溶性活性磷（SRP）。海藻酸钠的G单元作为碳源强化了硫-氮循环耦合，促进反硝化作用并抑制NO₃⁻释放。为期三个月的实验室模拟与九个月的现场原位实验均证实其卓越的营养盐控制效果：田间试验中施用一个月后，上覆水SRP浓度降至0.006 mg/L（降幅75%），NO₃⁻浓度降至0.15 mg/L（降幅87.5%），水体透明度显著提升且未出现蓝藻水华。本研究为营养盐钝化剂提供了 “清洁生产 - 输入输出平衡 - 微生物代谢全激活” 的创新设计理念，并从多维度对材料性能、作用机制及应用效果进行了系统探究与验证，为富营养化湖泊内源污染控制提供了新的解决方案。

镧基水凝胶在模拟实验中的控磷效果。

(A-D) 分别为对照组（CK）、空白载体组（NC）、低剂量组（LT）和高剂量组（HT）中活性磷沿沉积物 - 水界面（SWI）纵向分布的二维高分辨率图像；(E-F) 分别为沿 SWI 纵向的可溶性反应性磷（SRP）和亚铁离子（Fe²⁺）浓度分布；(G) 沉积物中磷的赋存形态占比；(H-K) 分别为 CK、NC、LT 和 HT 组沉积物间隙水中 Fe²⁺与 SRP 的回归分析。橙色 / 蓝色圆形阴影表示质量中心，ns 表示无显著差异，*** 表示 p < 0.001。

我们提出了营养盐钝化剂制备的全新理念：依据营养盐释放规律设计活性物质释放量，而非追求最大吸附容量。镧基水凝胶中游离态 La³⁺因浓度差快速释放，骨架结合态 La³⁺则随多糖骨架降解逐步溶出。多糖降解消耗沉积物中的溶解氧，促使厌氧环境下铁磷复合物（Fe-P）释放磷素。这些过程相互关联并遵循化学计量关系，使水凝胶实现从沉积物中 "诱释" 可溶性活性磷（SRP）并同步钝化的双重功效。此外，海藻酸钠中的 G 单元作为碳源基质，可强化硫氮循环耦合效应，通过促进反硝化作用抑制硝态氮（NO₃⁻）释放。现场原位围隔实验证实，该水凝胶能显著降低水体营养盐浓度，有效遏制蓝藻水华暴发。

Qinyi Chen, Zhicong Wang, Bingjie Zhao, Haining Huang, Yuchen Geng, Yuang Ding, Dunhai Li, Efficiency and mechanism of a novel La-based hydrogel designed for controlling lake eutrophication: Insight from phosphorus release characteristics of sediment, sulfur-driven autotrophic denitrification and cyanobacterial bloom response, Water Research, Volume 279,   2025, 123431, ISSN 0043-1354, https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123431.

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