人工湿地氮转化分子生态过程耦联机制研究

人工湿地低成本生态化的技术经济优势，使其成为水环境修复、农业非点源污染控制和乡村污水脱氮的首选生态技术。深入研究人工湿地氮转化分子生态过程，定量描述氮转化生态过程的耦联机制，有利于借助分子生态技术识别影响氮转化功能菌优势富集的关键因子，为强化人工湿地脱氮提供科学依据。本研究通过封闭槽和小区试验，分析不同环境因子、营养条件、氧气供给、水力流态、基质性能和植物生长季情况下氮素迁移转化规律，解析氮转化功能菌多样性，利用Real-time PCR技术对湿地中16种氮转化关键基因进行绝对定量，阐明氮转化功能基因的生态联结性，识别影响氮转化功能菌优势富集的关键因子，建立氮素、关键因子与氮转化功能基因的定量响应关系，构建人工湿地氮转化分子生态过程定量描述模型，从分子水平上深入揭示人工湿地传统硝化反硝化、异养硝化、好氧反硝化、厌氧氨氧化、古菌氨氧化、微生物固氮和异化性硝酸盐还原等多种反应过程的耦联机制。

人工湿地低成本生态化的技术经济优势，使其成为水体修复、农业非点源污染控制和农村污水脱氮的首选生态技术。深入研究人工湿地氮转化分子生态过程耦联机制，有利于借助分子生态技术识别氮转化菌群优势富集的关键因子，为强化人工湿地脱氮提供科学依据。.本研究分析了不同温度，水力条件，碳氮比、氨氮和硝氮等不同氮源情况下，潮汐流和垂直流人工湿地氮素转化降解规律，阐释了氮转化功能菌群的生态联结性，识别了影响氮转化菌群优势富集的关键因子，建立了氮素、关键因子与氮转化功能基因的定量响应关系，构建了定量分析模型，从分子水平上揭示了潮汐流人工湿地硝化反硝化、厌氧氨氧化、古菌氨氧化和异化性硝酸盐还原等多种过程的耦联机制。.研究了碳氮比比约束下潮汐流人工湿地的脱氮分子生态过程机制。结果表明，C/N>6时可实现了完全硝化反硝化；C/N≤6时，好氧氨氧化为氨氮去除的主要途径，C/N>6时，厌氧氨氧化作用显著提高。定量相关分析表明，氨氮转化速率与 amoA、nxrA、anammox及反硝化基因密切相关，而总氮受 amoA 和anammox共同制约。.研究了潮汐流人工湿地长期运行脱氨氮和硝氮的分子生态过程机制。结果表明，同步硝化、厌氧氨氧化、反硝化（SNAD）过程是潮汐流人工湿地长期运行脱氨氮的主要途径，而异化硝酸盐还原（DNRA）则是潮汐流人工湿地长期脱氮的重要途径之一。这项研究首次报道了DNRA在人工湿地中的脱氮贡献，并确定其对硝酸盐氮的去除贡献约为5.1±3.4％，对深入研究人工湿地氮平衡具有重要意义。.研究了潮汐流人工湿地低温脱氮分子生态过程机制。发现低温情况下潮汐流人工湿地具有较高氨氮去除率，但会出现大量硝酸盐积累。定量分析表明，anammox/amoA，(narG+napA)/amoA和(narG+napA/bacteria分别是4℃、8℃、12℃条件下运行人工湿地的关键限速基因群组。通路分析表明，4 ℃时CANON是主要限速途径，(narG+napA)/bacteria贡献很小，随温度升高，CANON贡献逐渐减小，(narG+napA)/bacteria贡献逐渐增大。证实了低温对厌氧氨氧化和反硝化菌群都有抑制作用，但它们对低温的适应性不同是导致不同温度条件下硝酸盐累积速率回复能力存在显著差异的主要，温度越高越有利于反硝化菌脱硝氮能力回升。