湖泊内生境沉积物反硝化作用的空间异质性及调控机制

我国湖泊氮污染问题普遍较为严重。作为氮负荷削减的关键途径之一，反硝化作用在水体生态系统氮循环中的重要作用备受关注，但反硝化作用空间异质性问题却一直缺乏适合的机理性解释。本研究以生态类型多样的太湖内生境为例，应用界面微环境和流动培养技术，借助同位素配对法和分子生物学手段，在原位环境模拟和室内因子控制两种条件下对空间尺度上的沉积物反硝化作用进行研究，分析表层沉积物、间隙水和上覆水的理化参数，以及反硝化微生物群落多样性和基因表达，采用多元统计方法分别处理四个季节的实测数据，着重揭示沉积物反硝化作用的空间分布规律，尝试建立环境和反硝化微生物群落协同调控反硝化作用空间异质性的概念模式，为湖泊氮负荷削减和氮循环研究提供理论参考。

针对于沉积物-水界面反硝化速率及其微生物学机制这一科学问题，本项目对太湖南北方向具环境梯度的沉积物样品进行采集，在研发技术手段的基础上，分别考察微生物碱性磷酸酶活性(APA)、芳基硫酸酯酶活性(ARS)、荧光素二乙酸酯水解酶活性(FDA)、反硝化作用、反硝化菌群落结构的分布特征，结合环境参数分析相关主导因子，着重讨论反硝化酶活性与反硝化菌群落结构的关系。具体结果如下：.(1) 研发相关技术，比如测定微小体积样品呼吸作用的微呼吸系统及沉积物-水界面微电极三维微移动装置。目前该类相关技术也被其他研究工作所采纳。.(2) 测定沉积物及水体中APA、ARS的水解酶活性，发现两种水解酶活性的分布格局有着较为一致的趋势，即酶活性的峰值均出现在湖口区域，而湖心的位置则表现出较低的酶活性；同时两种水解酶亦表现为夏季样品酶活性显著高于冬季。.(3) 相关性分析表明APA、ARS间及与有机质含量、总磷均呈极显著的相关性(p<0.01)，而FDA水解酶活性并未表现出相似的规律，Mantel检验发现10种重金属离子对FDA水解酶活性的综合影响达到显著水平，而与APA、ARS并不显著，推测FDA水解酶可能是受重金属离子的影响而表现出独特的分布格局。.(4) 采用乙炔抑制法及同位素测定方法对反硝化酶活性进行考察，发现其分布具明显的时空差异，夏季反硝化酶活性比冬季平均增强约2倍，而在空间尺度上活性差异表现为如下趋势：大浦湖口>梅梁湾>湖心。.(5) 运用末端酶切限制性片段多态性技术考察基于nirS基因的反硝化微生物群落结构特征，发现反硝化微生物在太湖表层沉积物中分布较为广泛，夏季多样性明显高于冬季，且均表现出时空差异。但不同季节的群落结构受环境因子的影响略有差异，夏季群落演替的主导因子为温度和总磷，而冬季主要影响因素是含水率，总磷等。.(6) 使用多元回归及排序的方法考察反硝化酶活性(功能上)和反硝化菌群落演替(结构上)的关系，发现两者并未表现明显的相关关系，反硝化速率与群落均呈不同程度的变化，但其变化趋势并不一致，且两者的主导环境因子不同，与温度、营养盐浓度等环境因子相较，群落的变动对反硝化作用的影响十分微弱，这一结果表明，反硝化菌群落结构与其反应强度未表现出现明显的相关性。但是这一结论仍需采用更周密的实验及更为先进的方法来予以证明。