长江中下游典型湖泊N2O产生的关键途径与微生物驱动机制研究

Mechanisms of production and emission of nitrous oxide (N2O) in lakes have attracted considerable attentions and been identified as a hot and cutting-edge scientific issue. However, the key N2O production pathways, the main controlling factors and the microbial N2O driven mechanisms in the complex lake ecosystems are still not clearly understood. Lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River form a lake group unique in the World that is becoming increasingly polluted by nitrogen loading, which are considered an ideal field laboratory for the study of the nitrogen biogeochemistry cycling. In this study, three typical lakes with different nitrogen levels in the middle and lower reaches of the Yangtze River are selected as study areas. The objectives of the study are to investigate the utility of applying a novel combination of stable isotope and molecular methods to (1) determine the spatiotemporal distributions of the N2O production in lakes, (2) to quantitatively identify the contribution of nitrification, nitrifier denitrification, denitrification and coupled nitrification-denitrification to N2O production, and (3) to track the potential mechanisms of microbial control on N2O production in lakes. This project is of significance to further understanding of the mechanism of N2O production in lake ecosystems. Also, it can provide important scientific basis for freshwater ecosystem conservation, and the control and management of N2O emissions from freshwater lakes in China.

湖泊系统中的氧化亚氮（N2O）产生、排放及环境影响机制，是当前广泛关注的研究热点和前沿科学问题。然而，在复杂多变的湖泊系统中有关N2O产生途径、主要控制因子以及微生物驱动机制等至今未被清楚的认识。鉴于此，本项目拟以长江中下游地区3个不同氮营养水平的重要湖泊作为典型研究区域，运用氮氧稳定同位素示踪和现代分子生物学技术，研究湖泊N2O产生的时空差异特征，定量评估硝化、硝化细菌反硝化、反硝化以及耦合的硝化-反硝化等关键过程对湖泊N2O产生的贡献率，阐明影响湖泊N2O产生的主要环境控制因子，并揭示N2O产生关键途径的微生物驱动机制。通过本项目研究，不仅加深了湖泊N2O产生机制的理论认识，同时也为我国淡水生态系统保护及湖泊N2O排放的控制与管理提供重要科学依据。

湖泊系统中的氧化亚氮（N2O）产生、排放及环境影响机制，是当前广泛关注的研究热点和前沿科学问题。然而，在复杂多变的湖泊系统中有关N2O产生途径、主要控制因子以及微生物驱动机制等至今未被清楚的认识。鉴于此，本项目针对长江中下游富营养化湖泊—太湖作为典型研究区域，运用环境地球化学、环境稳定同位素和现代分子生物学研究方法与分析技术，研究湖泊N2O产生的时空差异特征，定量评估硝化/真菌反硝化、反硝化以及耦合的硝化-反硝化等关键过程对湖泊N2O产生的贡献，阐明影响湖泊N2O产生的主要环境控制因子，并揭示N2O产生关键途径的微生物驱动机制。研究结果表明，太湖N2O排放存在显著时空差质性，表现为“春夏季吸收、秋冬季排放”以及春季“草型”湖区N2O排放量显著高于“藻型”湖区的特点；反硝化途径贡献了90%以上的太湖N2O总产量，而其中超过50%的N2O在排放进入大气前被还原消耗；结合分子生物学和稳定同位素研究方法，研究发现，虽然反硝化是太湖N2O产生的主要来源途径，但经由水体硝化途径产生的N2O是太湖N2O排放的重要补充，也是造成太湖N2O排放时空异质性的主要原因之一；水体活性氮是决定水体硝化过程的关键环境控制因子；春季太湖水体和表层沉积物反硝化过程以及反硝化微生物群落丰度受到藻华爆发抑制影响，并由此导致春季“藻型”湖区太湖N2O排放量显著降低。通过本项目研究，不仅加深了湖泊N2O产生机制的理论认识，同时也为我国淡水生态系统保护及湖泊N2O排放的控制与管理提供重要科学依据。