湖泊生物固氮作用发生规律及其影响机制

Nitrogen fixation (NF) is one of the important nitrogen sources in lake ecosystem. The NF rate, as well as the target media, such as phytoplankton, sediment and periphyton biofilm is different by lakes. The NF rate was related not only to the biomass of target media, but also to the trophic status, trace metal and physicochemical parameters of the aquatic environment..Lake Taihu was selected as the research area. nifH gene analysis, together with PCR-DGGE technology will be used to understand the spatial difference for NF gene. The acetylene reduction technology will be used to quantify the spatial-temporal difference of NF rate in different NF media. Combined with the aquatic environment characters and phytoplankton population structure, the regulation of NF in water environment will be elucidated, and the contribution of NF among the nitrogen mass balance in the whole lake will be evaluated. Small enclosure experiment, nitrogen gradient dilution technology, together with trace metal addition experiment will be used to reveal the influential factors for NF process and the rate of NF on site. The project will be benefit to understand the nitrogen cycling in lakes and nitrients limitation theory, as well as to support the policy making for eutrophication control in lakes.

固氮过程是许多湖泊生态系统中的重要氮源。不同湖泊固氮速率差异极大，发生固氮作用的介质（水体浮游植物、沉积物及附生生物膜）也有很大不同，其强度不仅受制于发生固氮作用的生物量，也和营养水平、微量金属以及水环境物化参数等密切关系。.本项目以太湖为研究对象，选择微生物群落的功能基因（nif H），采用分子生物技术，获得固氮微生物群落特征及固氮基因表达在空间和介质中的差异。采用乙炔还原法，分析水体中不同介质固氮速率的时空分布与变化特征，结合水环境因子和藻类种群结构，阐明浮游植物种群演替过程中水体固氮作用的变化规律，评估水体固氮作用在全湖氮物质平衡中的贡献。采用小型围隔培养、梯度稀释技术，结合微量金属定量添加，揭示固氮过程发生的影响因子，揭示湖泊固氮过程和规律，为深入理解湖泊氮循环规律和营养盐限制理论及制定湖泊富营养化控制决策，提供科学理论依据。

氮、磷营养盐过多是导致湖泊富营养化的主要原因。湖泊中氮的来源主要有流域输入、大气沉降以及生物固氮。由于对湖泊固氮过程缺乏足够的认识，影响了对湖泊氮来源的认知和氮负荷估算。本项目通过室内培养，研究了氮、钼和铁三个受控因子对固氮蓝藻的生长及其固氮作用的影响；运用乙炔还原法和原位培养法，对太湖水体和沉积物固氮作用进行研究，获得太湖水体的原位固氮速率和表层沉积物的固氮作用的时空变化规律及其影响因素，解析了太湖固氮作用对氮负荷的贡献，为氮源控制和湖泊氮平衡模型的构建提供依据。.鱼腥藻的培养模拟结果表明，氮浓度不是鱼腥藻细胞生长的影响因子，但对异形胞的形成有决定性作用，其影响阈值为0.1mg/L。通过对太湖水样的原位固氮速率测定，得到水体的年均固氮速率为0.12nmolN/（L·h），年固氮量为30.66t，占太湖TN输入0.11%，梅梁湾、贡湖湾和竺山湾是太湖固氮速率较高的湖区，而湖东边岸区和东太湖的固氮速率较低。水体固氮速率表现出夏高冬低的特征，夏季固氮速率比冬季高5个数量级左右。水温、N/P比、鱼腥藻生物量是影响太湖水体固氮作用的主要因子。25℃~30℃是水体固氮作用的最适温度范围。钼、铁元素不是太湖水体的固氮作用的限制性营养因子。.太湖沉积物的年均固氮速率为0.03nmolN/（g·h），年固氮量为0.052gN/m2。东太湖和梅梁湾是太湖沉积物固氮速率较高的湖区，而湖心区、西部沿岸区和湖东边岸区则是沉积物固氮速率较低的湖区。沉积物冬季的固氮速率是秋季的7倍、春季的4.2倍、夏季的3.2倍。