颗粒附着微生物在高氮污染河流氨氧化过程中的作用及其机制

At present, high nitrogen pollution of urban rivers is a widespread problem in China. Ammonia oxidation as the first step in coupled nitrification-denitrification is of special importance in the removal of the allochthonous nitrogen load in urban rivers, preventing the eutrophication of downstream ecosystems. Ammonia-oxidizing bacteria and archaea are considered as the most important contributors to catalyze nitrite from ammonia during ammonia oxidation. In this project, the particle-water interface with strong microbial action as the breakthrough point will be studied. The typical southern plain urban river - Wenrui Tang River is selected as the research site to take advantage of its many contrasting aquatic environments. Here we present a study to investigate the differences in community structure of particle-attached ammonia-oxidizing microorganisms from Wenrui Tang River. Simulation experiments will investigate the responses of particle-attached ammonia-oxidizing microorganisms and ammonia oxidation to nitrogen pollution. The aims of this project are to define the community characteristics and spatio-temporal patterns of particle-attached ammonia-oxidizing microorganisms in urban rivers with high nitrogen pollution, to explore the relationship between the niche differentiation of ammonia-oxidizing microorganisms and ammonia oxidation, and to demonstrate the roles of particle-attached ammonia-oxidizing bacteria and archaea in ammonia oxidation. Results from this project will provide a better understanding of the nitrogen migration and transformation in urban rivers with high nitrogen pollution, and provide fundamental knowledge of microbial ecological functions for management and repair of urban rivers.

高氮污染是我国城市河流目前普遍面临的一个环境问题。氨氧化细菌与氨氧化古菌参与的氨氧化过程作为耦联硝化-反硝化作用的关键步骤，对城市河流氮污染的消除及下游受纳水体富营养化的控制均具有重要的作用。本研究拟以微生物作用强烈的微粒-水界面为切入点，以氨氮来源多样、且存在较高空间异质性的典型平原城市河流—温瑞塘河为研究对象，通过野外调查研究温瑞塘河水体中颗粒附着氨氧化微生物群落结构特征及时空分布格局，揭示高氮污染河流中颗粒附着氨氧化细菌与氨氧化古菌生态位分异及与水体氨氧化之间的耦合关系；在此基础上通过模拟实验，探讨不同氮污染下颗粒附着氨氧化细菌与氨氧化古菌的种群丰度、代谢活性对水体中氨氧化速率的影响，阐明颗粒附着氨氧化细菌与氨氧化古菌在高氮污染河流氨氧化过程中的相对重要性、作用机制及生态学意义。研究结果将有助于揭示高氮污染城市河流水体中氮迁移转化的机制，为城市河流的氮污染控制、修复及管理提供帮助。

氨氧化细菌与氨氧化古菌参与的氨氧化过程作为耦联硝化-反硝化作用的关键步骤，对城市河流氮污染的消除及下游受纳水体富营养化的控制均具有重要的作用。本项目以微生物作用强烈的微粒-水界面为切入点，以氨氮来源多样、且存在较高空间异质性的典型平原城市河流—温瑞塘河为研究对象，通过野外调查及室内模拟试验，研究了高氮污染河流颗粒附着氨氧化微生物群落结构特征及时空分布格局，高氮污染河流中颗粒附着氨氧化细菌与氨氧化古菌生态位分异及与水体氨氧化之间的耦合关系，并以添加氨态氮、有机氮的形式研究了城市河流水体主要氮形态浓度对颗粒附着氨氧化微生物种群及氨氧化活性的影响。研究结果表明，高氮污染河流中颗粒附着氨氧化古菌的优势属种主要来自Crenarchaetoa、Thaumarchaeota和Treponema，而氨氧化细菌的优势属种主要来自Betaproteobacteria、Nitrosomonadaceae、Nitrosomonadales、Nitrosomonas、Nitrosospira；颗粒附着氨氧化细菌的α多样性显著高于氨氧化古菌，且随季节呈现秋冬季高、春夏季低的规律性变化，并在不同河道之间空间差异明显；而通过典型对应分析（CCA）分析发现野外河流中溶解性无机氮、氨态氮对颗粒附着氨氧化细菌（AOB）和古菌（AOA）种群均存在显著的影响效应。同时，结合室内模拟试验，明确了颗粒附着微生物对氨氧化作用的贡献取决于悬浮颗粒物浓度，其中氨氧化细菌与氨氧化古菌生态位分异、及对氨氧化作用的相对重要性取决于它们对相应环境条件的适应范围；而总体而言，高氮污染河流相关环境条件更适合氨氧化细菌的生存，使其在氨氧化过程中表现出更大的作用。而通过氨态氮、有机氮添加试验，更进一步表明在高氮污染下氨氧化细菌不仅在丰度，而且在种群组成多样性等方面性显著高于氨氧化古菌，并在试验中随氮污染程度呈升高趋势，且与氨氧化速率存在显著正相关，进一步明确了在高氮污染河流中颗粒附着微生物中氨氧化细菌对氨氧化的贡献大于氨氧化古菌。本项目研究结果有助于揭示高氮污染城市河流水体中氮迁移转化的机制，为城市河流的氮污染控制、修复及管理提供帮助。