沉水植物茎叶微界面对富营养化水体氮循环的调控机制

氮是富营养化水体的主要污染物之一，沉水植物茎叶微界面氧化-还原异质环境是水中氨化、反硝化及厌氧氨氧化等脱氮行为机制的重要基础。利用高分辨率微观尺度溶解氧(DO)、pH、氧化还原电位(Eh)等测定技术、微量化学分析技术、同位素示踪技术，建立微观尺度（10μm量级）的高分辨率多种形态氮的测定技术体系。原位测定沉水植物茎叶微界面结构组成、沉水植物茎叶微界面DO、pH、Eh以及有机氮、总氮、氨氮、硝态氮等指标的时空变化过程，分析探讨不同程度的富营养化水体中沉水植物微界面DO、pH、Eh的时空变化规律及影响因子，揭示不同生长阶段、不同种类沉水植物茎叶微界面的结构特征。探讨沉水植物茎叶微界面结构及DO等的时空变化对氨化、硝化及反硝化过程的影响，揭示沉水植物茎叶微界面氮循环主要过程的时空分布格局及调控机制，提出沉水植物茎叶微界面效应理论，从而为富营养化水体氮污染治理及生态修复提供科学支撑。

以典型沉水植物茎叶微界面为研究对象，综合利用扫描电镜技术、高分辨率微电极测定技术、微量化学分析技术、分子生物学技术和同位素示踪技术等，探讨了微界面结构、物质组成及微界面主要环境因子（O2、pH、ORP）的变化规律；分析了微界面附着微生物群落结构时空特征、氮循环功能细菌的数量、影响因素及附着生物的反硝化作用。研究表明：沉水植物茎叶微界面结构包括附着菌、附着藻类、附着动物等生物组成及碎屑等非生物组成；主要环境因子（O2、pH、ORP）和附着主要氮循环功能菌（氨氧化古菌AOA、氨氧化细菌AOB、硝化杆菌属细菌Nitrobacter、亚硝化螺旋菌属细菌Nitrospina）存在明显的时空异质性；微界面结构、物质组成及环境因子变化受水体营养盐浓度、沉水植物种类及生长阶段等因素影响；沉水植物茎叶微界面存在较强的反硝化作用，在沉水植物密度高、生物量大的湖区，由于主要氮循环功能菌多样性和数量高，沉水植物茎叶微界面的反硝化作用强度略高于水-沉积物界面的反硝化作用强度。沉水植物茎叶微界面可促进富营养化水体氮素转化，有利于氮素的去除。研究结果对利用沉水植物的生态调控功能指导水体环境质量的改善具有重要的实际意义。