沉水植物附着层微环境和功能菌对反硝化作用的调控机制研究

Various kinds of substances in water, including organic matter, silt, zoogloea, algae, microorganisms etc., often cumulate on the leaf and stem surface of submerged macrophytes, and a periphyton layer is therefore established. Oxidation-reduction heterogeneous microenvironment, abundant microorganisms, organic matter, and available nutrients are important foundation for the transportation and transformation of nitrogen in eutrophic ecosystems. Denitrification is one of the key processes of nitrogen depart from eutrophic waters. Denitrification of periphyton is highly significant, and it playes an important role in nitrogen budget and internal nitrogen turnover in the lakes. Coupling mechanisms between microenvironment, denitrifying bacteria and periphyton denitrification on submerged macrophytes remain to be explored.. Four macrophyte species are chosen for their dominance and abundance in regional aquatic ecosystems. The present project adopts in situ and control experimental approaches to proced an intensive study on the denitrification of periphyton. Scanning electron microscope, high resolution microelectrode technique, and microchemical analysis technique are applied to characterize the structure, substance composition of periphyton, and oxygen distribution on microscale to explore the varying pattern of periphyton. Molecular biological technology and stratified sampling method are applied to realize the microbial community structure of periphyton and to quantify denitrifying bacteria. Stable nitrogen isotop tracer technology, mass spectrometry techniques and isotop pairs theory are combined to comprehensively and thoroughly study the mechanisms of periphyton denitrification. The innovative achievements will greatly enrich the knowledge on system of nitrogen cycle in plant dominated waters. And the study is of important significance for treatment of nitrogen pollution in eutrophic waters.

沉水植物茎叶表面可富集水体中各种物质形成附着层，其内丰富的微生物、养分和异质性氧化-还原微环境是氮素迁移转化的重要基础。反硝化作用是氮素脱离水体的重要途径，富营养化水环境中附着层的反硝化作用显著，但微环境和功能菌对反硝化作用的调控机制尚待探讨。本项目拟运用野外监测与实验模拟相结合的方式，对典型沉水植物附着层的反硝化作用进行深入研究。利用扫描电镜和元素分析技术，研究典型沉水植物附着层的结构和物质组成，探明其变化规律；采用分子生物学技术和高分辨率微电极技术研究反硝化功能菌和微环境对附着层反硝化作用的影响，分析附着层结构组成与反硝化作用的关联；采用氮稳定同位素示踪技术和同位素配对理论研究附着层的反硝化作用，阐明附着层微环境和功能菌对反硝化作用的调控机制。本项目不仅可为利用沉水植物促进富营养化水体的氮去除提供理论依据，还对丰富和完善富营养化水体氮循环理论体系具有重要的科学意义。

氮素是我国湖库、河流等水体的主要污染物之一，调控和消减氮负荷是水环境管理和修复的关键问题。沉积物–水体–生物–大气多种界面是氮素迁移转化的重要场所，沉水植物-水体之间的生物–环境界面却未能得到应有的重视。沉水植物茎叶表面的附着层存在类似根际的富氧–缺氧微环境，且含有丰富的硝酸盐、有机质和微生物，为反硝化作用的进行提供了重要场所和物质条件。但附着层微环境和反硝化功能菌如何调控反硝化作用尚不清楚，难以科学评价附着层反硝化作用在水体氮去除中的地位和作用。以典型沉水植物菹草、金鱼藻、黑藻、穗花狐尾藻为研究对象，综合利用高分辨率微电极测定技术、分子生物学技术和氮稳定同位素示踪技术等手段，对富营养化水体沂河和武河人工湿地典型沉水植物附着层的结构组成、微环境特征、反硝化菌和反硝化作用进行了深入研究。研究表明：1）沉水植物附着物组成复杂，营养物质丰富，微环境溶解氧（DO）空间异质性高，存在微梯度变化。白天，随着氧微电极进入附着层深度的增加，由于附着层内存在的耗氧物质， DO增加的幅度减缓，有利于硝化作用进行，夜间，随着微电极进入附着层深度的增加，DO浓度持续降低，在125-300 µm 深度DO接近0，基本处于厌氧状态，加上叶片的呼吸耗氧，叶片表面DO浓度在40 µmol/L以下，有利于反硝化作用进行。2）附着层中反硝化细菌的nirK、nirS 和nosZ基因的丰度因水环境条件、植物种类、生长阶段而存在差异，但均与附着层的反硝化作用潜力存在正相关。3）在沉水植物丰富的水域，附着层的反硝化脱氮具有积极的环境效应，尤其是在沉水植物生长活跃的春末和夏季，附着层的反硝化作用潜力远超水体，接近甚至超过沉积物的反硝化脱氮能力，可贡献水体全年氮去除的近1/4。项目丰富了草型生态系统的氮循环理论体系和反硝化作用路径，对全面认识水生植物附着层的环境效应具有重要的科学意义，对利用水生植物附着层反硝化的环境效应科学消减富营养化水体氮负荷具有良好的工程应用前景。