子牙河潜流交换脱氮的生物化学机制

本项目以海河流域子牙河潜流带为研究对象，针对子牙河氮营养盐超标的突出问题，重点研究潜流带水分与氮素的纵向和横向潜流交换过程。拟采用原位红外光谱和质谱技术、同位素示踪技术、分子生物学方法、共聚焦激光扫描方法，对不同季节潜流交换的时空尺度进行定量表征，分析氮形态分布特征与化学反应梯度的关系，辨识潜流带生物膜结构与脱氮菌群特征及演替。将潜流交换中氮的迁移通量、化学转化和生物降解相结合，研究潜流交换过程中水文水动力、化学反应梯度与生物膜结构的关联关系，揭示水文水动力控制氮生物地球化学反应的时空效应与耦合机制，探究脱氮菌群多样性、丰度和活性变化对潜流交换脱氮过程的影响，辨识硝化反硝化与厌氧氨氧化作用的贡献。揭示潜流交换中氮迁移转化的规律，确定潜流交换脱氮的生物化学机制，提出潜流交换作用下河流脱氮技术方法与调控策略，为河流氮源污染控制提供理论指导与技术支撑，从内涵和方法上丰富河流潜流交换脱氮理论。

本项目以海河流域子牙河潜流带为研究对象，考察了潜流带氮素及其它水质指标时空变化特征，分析了潜流带沿程不同深度沉积物氮素分布特征与氮功能菌群群落结构，明确了影响潜流带氮功能菌群分布的环境因子。在此基础上，将水文水动力、化学反应和生物降解过程相结合，研究了厌氧氨氧化菌活性与脱氮贡献，结合微环境、碳源氮素分布以及氨氧化菌群活性、丰度及多样性特征，建立了三者的关系，揭示了潜流带氨氧化菌群脱氮的主要因素，以此阐释了潜流交换脱氮的生物化学耦合机制。主要研究结果如下：.(1)通过现场调查，发现子牙河处于较为严重的富营养化水平，属V类或劣V类地表水。氮素在不同季节呈现出“倒U型”；水体总氮以无机氮（氨氮）为主，有机氮主要以颗粒态存在。.(2)滏阳河衡水段不同位点潜流带剖面（0-70 cm）均有氨氧化古菌(AOA)、氨氧化细菌(AOB)和亚硝化细菌(NOB)分布。AOA、AOB和NOB多样性分别为0.95-2.21、0.65-0.99、0.44-0.75；丰度分别为6.08×105-9.39×107、4.01×104-2.97×107、 1.14×106-1.31×109 copies g-1 DW；序列分别属于Thaumarchaeota门、Nitrospira和Nitrosomnoas种属、Nitrospira种属。.(3)利用15N稳定同位素示踪测试与氮转化的室内模拟实验，得出AOB活性为1.8 nmol-N g-1 h-1。FISH分析结果显示AOB主要以分散形式存在，占总菌约1%。.(4)滏阳河衡水段潜流带氨氧化势（PAO）、亚硝酸氧化势（PNO）分别为63.52-857.20、374.66-1668.91ng NO2--N g DW h-1。PAO与AOB丰度呈显著正相关，与AOA丰度无显著相关性。PNO与NOB丰度呈显著正相关。PAO和PNO存在时空差异性，均沿潜流带剖面（0-70 cm）呈缓慢下降的空间变化趋势。.(5)AOA多样性受NH4+-N、TOC和溶解氧（DO）影响，AOB多样性受NH4+-N、TP和DO影响，NOB多样性受氮素、TP和DO影响。AOA丰度受NH4+-N和TOC浓度影响，AOB和NOB丰度受氮素、TOC、TP和DO影响。PAO受NH4+-N、TOC、TP和DO浓度影响，PNO受亚硝氮（NO2--N）、TOC、TP和DO影响。