厌氧氨氧化在潜层地下水氮削减运移中的作用

Due to the presence of anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) during the reduction of groundwater nitrogen, it may have a great impact on the nitrogen balance in the geological environment. However, there are few comprehensive studies on its reaction mechanism and process at present. This project will intend to take the contaminated subterranean groundwater as the object, and conduct a research on the nitrogen cycle pathways and the role of microorganisms associated with this pathway in this area. Through the metagenomic Illumina sequencing and gene chip technology, the distribution of ANAMMOX bacteria along with the stratigraphic changes in the aquifer will be revealed on two levels of species and functional genes respectively. Combined with biogeochemical technology and species distribution model, the structural characteristics of microbial communities will be revealed, and the dynamic response mechanism of ANAMMOX metabolic activities and dominant environmental factors, and also the network interaction between microorganisms will be established. In situ 15NO2-tracer experiments will be performed and ANAMMOX and denitrification reactivity will be calculated. Rates of denitrification and ANAMMOX will be determined by quantifying changes in 28N2, 29N2, 30N2, 15NO3, 15NO2, and 15NH4+ with groundwater travel time. The above research will promote the study of nitrogen transport in groundwater environment in a similar area.

由于地下水氮削减过程中存在厌氧氨氧化（ANAMMOX）反应，其可能会对地质环境中氮平衡产生较大影响，但目前鲜有对其反应机理及过程的全面研究。该课题拟以受污染的潜层地下水为研究对象，在该区域进行氮循环途径和与其相关微生物作用的研究。通过宏基因组Illumina测序以及基因芯片技术，分别在物种和功能基因两个层面来揭示含水层ANAMMOX细菌随着地层变化的分布规律，并结合生物地球化学技术以及物种分布模型揭示微生物群落结构特性，建立ANAMMOX代谢活动与主导环境因子的动态响应机制以及微生物之间的网络互作关系。进行原位15NO2-示踪剂实验，计算ANAMMOX和反硝化反应活性，通过量化28N2，29N2，30N2，15NO3-，15NO2-和15NH4+与地下水运移时间的变化，确定ANAMMOX和反硝化反应速率，以及两者对N2产量的贡献率，以期为类似区域地下水环境中氮输移规律的研究提供方法。

研究地下水环境中氮素的迁移转化过程可为地下水氮污染控制提供理论依据。氮素迁移转化相关主导微生物作用机理及其主导环境影响因子是该研究的主要内容。本课题在野外踏勘及掌握研究区域水文资料的基础上，结合研究区域浅层水文地质特征、含水层生境理化因子，探究浅层地下水脱氮相关微生物分布规律及群落结构，厌氧氨氧化反应过程，揭示氮削减运移途径和规律，探讨氮循环的主导环境因子并建立环境因子动态响应机制。实验结果显示：受含水层还原性地质环境及流域潮汐影响，硝酸盐氮和氨氮为浅层地下水无机氮的主要存在形式，且呈条带状污染分布特征。浅层地下水呈弱碱性，水体中碳氮比（C:N）较低，铁、锰离子含量普遍较高，可溶性盐（Na, K, Mg, Ca）和重金属（Cr, Cd, Pb, Cu, As）含量呈现季节性特征。研究区域地下水系统中共获得用于物种分类的OTU 6837802条，具有很高的细菌多样性，不同样品多样性存在差异。细菌优势菌群分布包括拟杆菌门（Bacteroidetes）、变形菌门 （Proteobacteria）、放线细菌门（Actinobacteria）、浮霉菌门（Planctomycetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）, 并以变形菌门（Proteobacteria）和浮霉菌门（Planctomycetes）的微生物相对丰度比例较高。地下水沉积物中厌氧氨氧化细菌群落多样性高，属于优势菌群。近湖岸交界处采样点之间的厌氧氨氧化细菌的群落结构相似，厌氧氨氧化反应与氨氮迁移转换表现出一致性。此外，湖岸界面处采样点之间的厌氧氨氧化细菌的群落结构季节差异性较小。研究区域总体微生物群落结构多样性以及部分微生物丰度具有空间异性。本项目研究成果可为流域浅层地下水系统中不同环境因子下氮迁移转换的微生物过程研究提供一定的理论与技术支撑。