水位脉动条件下三峡库区消落带厌氧氨氧化反应的过程效应与作用机制研究

Large areas of hydro-fluctuation belt were formed due to the drastic variation of water lever in the Three Gorges Reservoir (TGR). The problems of nitrogen pollution caused by the external nutrient input and the degeneration of self-purification capacity in the hydro-fluctuation belt have drawn wide attentions. As one of the major sinks of inorganic nitrogen, anaerobic ammonium oxidation (anammox) has been found widely distributed in nature and played a key role in biological nitrogen removal. However, it is largely unkonwn about the role and the action mechanism of anammox process in hydro-fluctuation belt, especially under the condition of water cyclic plusing. In this project, we plan to explore the spatial and temporal distribution of anammox activity and microbial community structure in the hydro-fluctuation belt by using isotope tracing and molecular tools. By measuring the physicochemical properties of the soil/sediment, we will also try to find out the key drivers for anammox process in hydro-fluctuation belt. This project will enable us to further understand the mechanism, adaptive behavior and key driver of the key processes in nitrogen cycle represented by anammox in an acute changing environment. It will also be a complement of the nitrogen cycle theory and a theoretical basis for the ecological restoration of the hydro-fluctuation belt in the TGR.

三峡水库水位大幅波动，形成了面积巨大的消落带。消落带受到外源营养输入与自净能力下降影响，其氮素污染问题一直广受关注。厌氧氨氧化过程作为新的氮素转化方式，其在自然界氮素去除中的重要作用逐渐被认可。然而，目前消落带系统中厌氧氨氧化反应的过程效应、水位脉动条件下厌氧氨氧化的作用机制尚不明确。 本项目拟以三峡库区消落带为研究对象，针对其水位脉动特点，综合利用同位素示踪技术与分子生物学手段，通过对消落带厌氧氨氧化作用强度、厌氧氨氧化菌群落结构在空间和时间尺度分布规律的研究，揭示在消落带水位脉动条件下厌氧氨氧化反应的过程效应与作用机制。本项目研究的开展将有助于明确以厌氧氨氧化为代表的氮循环关键微生物与关键过程，在环境剧烈变动的消落带系统的适应行为、发生机理与驱动因素，对消落带氮循环理论体系进行补充，为消落带生态恢复提供理论依据。

三峡水库建成之后，水位受到人工调控实施夏落冬涨，在145米至175米之间波动，形成了面积巨大的消落带（349 km2）。水库消落带在水库生态系统中处于陆生与水生生态系统的过渡地带，是水库生态系统物质循环的热点区域，氮素在其中的分布与转化过程代表了水库生态系统重要的物质、能量流动规律。. 本项目的研究计划要点是针对三峡库区消落带这一特殊生境，及其土壤周期性经历反季节干湿交替的特点，分别利用分子生物学与同位素示踪手段，对其中厌氧氨氧化的发生条件、厌氧氨氧化菌的分布特点与影响因素等问题开展研究。通过对三峡库区消落带土壤中厌氧氨氧化的研究，明确消落带氮素的生物去除途径，揭示厌氧氨氧化菌在特殊水热耦合条件下的响应规律，探索库区建成后对消落带土壤氮循环的影响规律。. 项目通过连续两年的原位观测与分析，基本明确了厌氧氨氧化菌与厌氧氨氧化过程在三峡库区消落带土壤中的分布、作用与影响因素，发现了消落带淹水过程有利于厌氧氨氧化菌的生长，而厌氧氨氧化活性仅发现于淹没的消落带土壤当中，且与其他生境相比处于较低水平。通过对不同基因的扩增发现，消落带中的厌氧氨氧化菌以Candidatus Brocadia和Kuenenia为主。同时，通过相关厌氧功能微生物的分析，证实了厌氧氨氧化与厌氧甲烷氧化对于消落带生境具有相似的喜好，二者共同利用硝酸盐可能形成竞争关系，土壤硝酸盐含量将对厌氧氨氧化的分布起重要作用。另外研究还发现了厌氧氨氧化菌在水淹之后丰度增加的现象是属于微生物的对于水淹过程的一种普遍响应。. 综上所述，项目完成了所有计划，同时在此基础上做了大量相关性工作，既保证了整个研究内容更加完整更具体系更有科学性，同时也保证了研究成果具有浓厚的地方特色，对三峡库区消落带土壤营养管理、生态重建等工作较强的现实指导意义。