用于研究天空輝光對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響的LakeLab實(shí)驗(yàn)裝置

圖片來(lái)源：Andreas Jechow

　　光污染照亮了夜空，加速了湖泊中藍(lán)藻的生長(zhǎng)，并刺激了代謝過程。這是德國(guó)萊布尼茨淡水生態(tài)與內(nèi)陸漁業(yè)研究所（IGB）最新研究的發(fā)現(xiàn)，也是迄今為止針對(duì)湖泊光污染影響所開展的最大規(guī)模實(shí)地實(shí)驗(yàn)。相關(guān)成果已發(fā)表在科學(xué)期刊《Water Research》上。

　　每個(gè)人都熟悉夜晚從遠(yuǎn)處就能看到的光穹——它顯示了城市燈光的亮度。大氣中散射的人造光會(huì)使夜空變亮，這種現(xiàn)象被稱為人造天空輝光（artificial skyglow）。天空輝光的影響可以遠(yuǎn)距離地作用于生物多樣性。

　　IGB研究員、該研究的第一作者兼負(fù)責(zé)人Hans-Peter Grossart教授表示：“直到最近，我們對(duì)天空輝光對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)的影響知之甚少。但現(xiàn)在我們了解到，湖泊中的許多生物都遵循晝夜節(jié)律。在本研究中，我們證明了夜間人造光促進(jìn)了藍(lán)藻（也稱藍(lán)綠藻）的擴(kuò)張，而藍(lán)藻可能會(huì)產(chǎn)生毒素。天空輝光還激發(fā)了淡水系統(tǒng)中的碳循環(huán)?！?/p>

Credit: Water Research (2025)

　　研究人員在IGB的LakeLab中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這個(gè)獨(dú)特的研究設(shè)施被稱為“湖中湖實(shí)驗(yàn)室”，包括24個(gè)獨(dú)立圍欄，每個(gè)圍欄封閉了1300立方米的湖水，阻隔了與主湖水體的交換。實(shí)驗(yàn)初始時(shí)，各圍欄中的浮游生物（如藻類、細(xì)菌、其他單細(xì)胞生物、真菌、小型甲殼類動(dòng)物等）均勻分布。隨后，15個(gè)圍欄中的10個(gè)在夜間使用專門設(shè)計(jì)的照明系統(tǒng)進(jìn)行了微弱照明，照度從0.06勒克斯（典型天空輝光）到6勒克斯（記錄中最強(qiáng)天空輝光）不等，其余5個(gè)圍欄則保持無(wú)照明。這是迄今為止最大規(guī)模的湖泊光污染實(shí)地實(shí)驗(yàn)。IGB研究員、論文合著者及項(xiàng)目聯(lián)合協(xié)調(diào)人Mark Gessner教授指出：“LakeLab為這種大規(guī)模實(shí)地實(shí)驗(yàn)提供了理想條件，可以在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中對(duì)照分析照明與未照明圍欄的響應(yīng)，從而明確因果關(guān)系。”

　　藍(lán)藻數(shù)量在夜間照明下顯著增加

　　研究團(tuán)隊(duì)分析了水體中細(xì)菌群落的組成及其代謝過程。在湖泊中，有機(jī)物循環(huán)包括生物量的生產(chǎn)、消耗與分解。作為初級(jí)生產(chǎn)者，藻類、水生植物以及某些細(xì)菌通過光合作用利用太陽(yáng)能將二氧化碳或碳酸氫鹽等無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)。一部分生物質(zhì)會(huì)成為其他生物的食物，并最終由“分解者”轉(zhuǎn)化回?zé)o機(jī)物。這一碳與元素循環(huán)維持著湖泊生態(tài)系統(tǒng)的資源平衡，而夜間人造光會(huì)改變這一循環(huán)。

　　細(xì)菌在生態(tài)系統(tǒng)中既是初級(jí)生產(chǎn)者又是分解者。在照明條件下，藍(lán)藻及其他利用光能的細(xì)菌（尤其是厭氧光合細(xì)菌AAPs）的數(shù)量比對(duì)照組平均高出32倍。盡管各圍欄之間存在差異，但總體趨勢(shì)明確無(wú)誤。IGB研究員、共著作者及浮游植物專家Stella Berger博士解釋道：“這一結(jié)果出乎我們意料，因?yàn)檫@些光照水平過低，按理說(shuō)不足以激發(fā)藍(lán)藻或其他光合生物進(jìn)行光合作用。但我們的實(shí)驗(yàn)表明，即便是微弱的0.06勒克斯照度，也足以引發(fā)顯著反應(yīng)。”

　　湖泊碳循環(huán)的激發(fā)效應(yīng)

　　實(shí)驗(yàn)中暴露于人造天空輝光后，湖水中細(xì)菌群落的組成發(fā)生了變化，進(jìn)而改變了湖泊的整體代謝過程。這一變化通過對(duì)水樣中細(xì)菌群落的基因分析及溶解有機(jī)物的質(zhì)譜分析得到了證實(shí)。研究顯示，天空輝光明顯增強(qiáng)了細(xì)菌對(duì)藻類產(chǎn)生的有機(jī)物的分解作用，進(jìn)而加快了碳的整體循環(huán)過程。

　　將光污染作為淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要影響因素加以考慮

湖泊（a–c）和河流（d）水面上的藍(lán)藻生長(zhǎng)與擴(kuò)散現(xiàn)象

圖片來(lái)源：Amin Mahmoud Thawabteh

　　IGB研究員、論文共同作者及項(xiàng)目第二協(xié)調(diào)人Franz H?lker博士補(bǔ)充道：“0.06勒克斯的大致照度是城市廣大區(qū)域中生物普遍暴露的光照水平?！? 因此，全球光污染日益加劇的一個(gè)潛在后果是藍(lán)藻（可能有毒）水華風(fēng)險(xiǎn)的上升。對(duì)于一些無(wú)法用現(xiàn)有理論解釋的藻類水華事件，光污染或許是一個(gè)被忽視的重要因素。基于遙感技術(shù)（如衛(wèi)星、飛機(jī)和無(wú)人機(jī)）的監(jiān)測(cè)手段，為早期發(fā)現(xiàn)這類問題提供了可能。