凤眼莲根际效应对富营养化水体脱氮的作用机理

利用大型水生漂浮植物修复富营养化水体是当前水环境研究的热点之一，但人们对该过程中发生的根际硝化-反硝化脱氮机理及其对水体氮去除的贡献仍不清楚。本申请拟采用15N示踪及同位素气态产物测定技术，以凤眼莲（Eichharnia crassipes）为大型水生漂浮植物的代表，借助自主研发的可控植物生长气体采集密闭系统，通过模拟试验研究凤眼莲修复富营养化水体过程中根际硝化反硝化细菌群落多样性、根系分泌氧气及可溶性有机碳能力与水体释放N2O/N2比例之间相互影响的交互作用及耦合关系。通过以上研究，从根际效应的角度阐明大型漂浮植物对富营养化水体硝化-反硝化脱氮程度（水体释放N2O/N2比例表示）的影响及相关机理，并在此基础上明确凤眼莲影响下水体发生的反硝化、硝化-反硝化反应过程对消减水体氮的贡献程度。

本项目的主要预期目标是从根际效应角度阐明漂浮植物对富营养化水体硝化、反硝化脱氮程度的影响及相关机理，并在此基础上明确植物影响下水体发生的硝化、反硝化反应过程对消减水体氮的贡献程度。研究采用N-15示踪及同位素气态产物测定技术，以凤眼莲（Eichharnia crassipes）为水生漂浮植物的代表，借助自主研发的可控植物生长气体采集系统，通过模拟试验研究凤眼莲修复富营养化水体过程中根际硝化反硝化细菌群落多样性、根系分泌氧气及可溶性有机碳能力与水体释放N2O/N2比例之间相互影响的交互作用及耦合关系。通过研究发现，种植凤眼莲促进了富营养化水体的硝化、反硝化生物脱氮过程，生物脱氮释放的15N2-N原子百分超显著高于无植物的水体（1.1-2.7倍），无论在铺设和未铺设底泥的富营养化水体中，均发现该规律。凤眼莲修复富营养化水体过程中反硝化脱氮的气态产物以N2为主，N2O/N2小于0.001。利用分子生物学手段研究发现富营养化水体硝化、反硝化脱氮量与凤眼莲根系nirK, nirs，nosZ基因丰度之间呈显著相关关系，根系表面三种基因多样性和丰度都显著高于水体，为反硝化细菌繁殖提供了良好的微域环境，促进水体的反硝化气态脱氮过程。凤眼莲具有较强的泌氧及分泌有机碳的能力，不同生长阶段根系分泌氧气、有机碳的总量随苗龄增加显著升高，但单位质量根系的泌氧和分泌有机碳能力和速率随苗龄增加呈现降低的趋势。凤眼莲根系附着的微生物反硝化基因nirS、nirK、nosZ丰度随着苗龄期的增长也呈现下降的规律，这与随苗龄期增长根系出现老化现象，泌氧及分泌有机碳能力降低的趋势相一致。凤眼莲根系泌氧过程虽然能够增加水体中的溶解氧，但随着苗龄阶段的增加，凤眼莲茎叶覆盖水面抑制大气复氧过程，同时根际微生物活动强烈消耗溶解氧，因此表现出随苗龄的增加水体溶解氧浓度呈下降趋势。水体中氮的去除率随着凤眼莲苗龄的增加而增加，除了凤眼莲的吸收作用，其泌氧和分泌有机碳的总量增加，同样能够促进水体中微生物驱动的硝化、反硝化过程，从而高效地净化水体中外源氮负荷。在总氮浓度为5.0-9.0 mg L-1条件下，种植凤眼莲水体通过反硝化释放N2脱除的氮量占水体总氮去除量的34.4-73.4%，而未种植凤眼莲水体为26.1-49.3%。项目各研究要点内容顺利完成，发表高质量SCI论文5篇，中文论文5篇，其中核心期刊1篇。