沉降藻类对富营养化水体中内源氮素界面过程的影响机制研究

Harmful algal blooms (HABs) and eutrophication are recognized as global problems. Endogenous nitrogen cycle can be seriously influenced by excessive proliferation and degradation of algae, especially when a large number of algae are deposited on the bottom of eutrophic lake. Transportation and transformation of nitrogen in environments are controlled by interfacial processes, and thus it is critical to clarify the interfacial behavior of endogenous nitrogen in algal cells, water and sediments. In this proposal, a quantitative study on the life process of deposited algae and its influence on the nitrogen transformation among algae, water and sediment will be carried out in indoor simulation and in situ experiments. Synchrotron-based STXM-XANES will be used to characterize the microstructure and distribution of nitrogen on algae-sediment, algae-water and water-sediment interfaces. The project is expected to establish a scientific basis for the study of internal nitrogen cycle and provide new insights into the development of sustainable methods for remediation of eutrophic water.

水体富营养化及其导致的蓝藻水华是全球瞩目的水环境问题，富营养化水体中浮游藻类大量增殖和降解会影响内源氮循环过程，尤其大量藻类沉降到底部后会显著影响内源氮在水和底泥间的迁移转化。环境界面过程是影响环境中物质迁移转化的关键机制，因此阐明内源氮素在藻体、水和底泥上的界面过程是探究内源氮迁移转化及其受藻类影响的关键。本研究拟通过室内原柱模拟和野外原位实验相结合，应用稳定同位素示踪（15N）、微呼吸测量与微电极监测等技术手段，定量研究沉降藻细胞生命过程的变化规律及其对内源氮在藻体、水和底泥中迁移转化的宏观影响过程，同时应用同步辐射STXM-XANES技术探测氮在藻-泥界面、藻-水界面和水-泥界面上的微观结构和分布特征，揭示内源氮在藻体、水和底泥上的界面过程与微观机制。本课题可以为探究富营养化水体中内源氮的循环过程与机制奠定科学基础，同时能为发展长效治理水体富营养化的有效技术提供科学支持。

水体富营养化及其导致的蓝藻水华是全球瞩目的水环境问题，富营养化水体中浮游藻类大量增殖和降解会影响内源氮循环过程，尤其大量藻类沉降到底部后会显著影响内源氮在水和底泥间的迁移转化。本项目主要采用氧纳米气泡改性土壤技术进行原位絮凝除藻并调控底泥厌氧环境，构建了好氧和厌氧条件下沉降藻-底泥-水原位模拟系统，并对沉降藻存在的底泥-水界面上氮素迁移转化过程与规律进行研究，结果发现沉降藻的存在对内源氮素在底泥、上覆水和间隙水中的迁移和形态转化过程具有显著影响，尤其增加底泥内源氮素的负荷量。通过15N稳定同位素示踪发现藻源氮素大部分赋存于底泥中，存在向上覆水释放的风险，另外，通过45天的实验培养，超过30%的藻源氮素可以由底泥中迁移至沉水植物中；光照和温度是影响沉降藻细胞在底泥中的生命活性的关键因子，主要表现在覆盖体系中显著抑制藻细胞的光合效率，高温加速藻细胞的呼吸代谢，二者协同作用导致沉降藻细胞的衰亡和降解；通过对底泥、上覆水和间隙水氮素形态分析发现，大部分内源氮包括藻源氮素在厌氧条件下，藻源氮素主要以氨氮形态储存在底泥中，而好氧条件下氨氮通过消化过程转化为硝态氮； 经过对16SrRNA的高通量测序研究发现好氧条件下具有硝化功能的微生物群落丰度和多样性明显高于厌氧和对照体系，但经过一定时期后不同体系中细菌多样性趋于稳定，但沉降藻体系内的细菌丰度明显高于无沉降藻体系，说明沉降藻可以为细菌生长提供更充分的碳源；本课题可以为探究富营养化水体中内源氮的循环过程与机制奠定科学基础，同时能为发展长效治理水体富营养化的有效技术提供科学支持。. 本项目结题时已发表影响因子大于6.0的SCI 论文2篇， 中文核心论文1篇，申请发明专利1项；并有2篇SCI论文在审稿中。