富营养化水体超饱和溶氧层脱氮释放N2、N2O的现象及机制研究

Large amount ebullitions of N2 and N2O were observed from a hyper saturated oxygen layer in eutrophic waters via an in situ device invented in this lab. The observed phenomena were totally different from the knowledge of denitrification occurring only at anaerobic conditions, although aerobic denitrification was observed in other labs. How will this process imply on the nitrogen cycle within geochemistry processes is not clear. It is also not known on the kinetic mechanisms of this process in nature. This proposal aimed at investigating the influence of environmental factors, such as hyper oxygen level etc., on the ebullitions of N2 and N2O; and studying the denitrification genes distribution and functional activities, revealing denitrifier community structure evolution, development and their diversity, then to link the activities of denitrifier to the ebullitions of N2、N2O, through which: 1) to understand the impact of denitrification process at the hyper saturated oxygen layer in eutrophic waters on the geochemistry processes and ebullition dynamics on spatial and temporal scale; 2) the influence of environmental factors on the community structure evolution, development and diversity of denitrifyers; 3) the mechanisms of releasing N2、N2O from hyper saturated oxygen layer in eutrophic waters.

富营养化水体治理是世界难题，从水体表层入手，通过硝化反硝化释放N2、N2O实现富营养化水体脱氮治理具有重要意义。本申请借助自主研发的分层水体气体释放的原位收集装置，从富营养化自然水体超饱和溶氧层N2、N2O释放动态入手，通过模拟培养明确N2、N2O释放在水体氮消减中的贡献；深入研究溶氧等环境因子对富营养化水体N2、N2O释放的影响及相关关系；借助PCR-DGG技术，通过研究硝化反硝化各功能基因研究弄清各种环境因子条件下的硝化反硝化细菌种群多样性。通过以上研究，旨在阐明富营养化水体超饱和溶氧层这样一种特殊环境中，硝化反硝化脱氮释放N2、N2O动态规律，环境因子对微生物种群多样性的作用及对N2、N2O释放的影响，在此基础上，借助CANOCO软件分析，揭示超饱和溶氧富营养化水体环境因子与微生物种群多样性的耦合关系对N2、N2O释放的作用机制。

富营养化水体脱氮净化是水体净化的难点和重点，位于水体上层的超饱和溶氧层的脱氮释放N2、N2O是富营养化水体永久性脱氮净化的重要途径，但相关研究还非常匮乏。本项目预期目标是探明富营养化水体超饱和溶氧层这样一种典型水体环境中N2、N2O释放的通量情况和主要释放特征，阐明环境参数对两种气体释放及氮循环主要功能基因的影响。研究结果1）水体原位释放气体采集装置及其气相色谱法检测方法检测回收率均达到100%；与传统的膜质谱仪法进行对比发现，两种方法没有显著性差异。2）富营养化水体的超饱和溶氧层氮相关气体释放以N2为主、N2O释放通量与N2相差三个数量级；两种气体释放通量具有明显的季节特征，夏季最高（N2的1.92mmol m-2 h-1，N2O的10.69nmol m-2 h-1），春秋季较低（N2中值0.31-0.93mmol m-2 h-1，N2O中值1.54-4.38nmol m-2 h-1，冬季几乎为零。相关性分析表明，N2、N2O气体释放速率与温度、溶氧和pH值以及叶绿素-a浓度均呈显著正相关关系，与NO2-浓度呈显著性正相关关系，而与NH4+浓度以及NO3-浓度相关性均不显著。3）模拟试验在放置于原位水体的密闭式透明容器中进行，结果发现氮气和氧化亚氮气体产生量随着pH升高呈增加的趋势，但pH8.0和pH8.5没有显著性差异。乙酸钠作为碳源N2产气量最高；葡萄糖作为碳源氧化亚氮气体的产生量最高。两种气体产生量随着加入氮营养盐量的增加而增加，但铵态氮处理下氮气产生量最高，亚硝态氮处理下氧化亚氮气体产生量最高。4）超饱和溶氧条件下nirK、nirS以及nosZ的基因丰度高于正常溶氧条件，这可能是富营养化超饱和溶氧水体能够实现较高的N2、N2O释放速率的重要原因；同时不同基因对氮源和碳源可能具有偏好性，NH4+、NO3-和NO2-处理均能够增加nosZ基因的丰度，NO2-能够增加nirK、nirS的表达丰度；nosZ表达丰度对己酸盐的响应最明显，而nirS基因对碳酸氢钠的响应最明显，nirK对不同碳源的响应没有显著性差异。nirK、nirS以及nosZ三基因均在pH7±0.5范围内呈较高表达量，这与偏碱性环境气体释放量较高不一致，说明pH升高可能是三种脱氮相关功能基因发生生物脱氮作用的结果。项目各项研究内容及任务指标均已顺利完成。