不同海拔水体沉积物反硝化作用对营养盐负荷的响应及微生物驱动

Denitrification, a pivotal process in aquatic nitrogen removing, is mainly affected by natural environmental factors and nutrient loading, such as temperature and external nitrate input by human activities. However, the role of denitrifiers can not be neglected for denitrification as its nature of microbe-mediated processes. Based on our previous studies, here we will take Laojun Mountain as a natrual laborotory, where there are clear changes in climatic zones and natrual environmetnal variables along the elevational gradient. We will set up field microcosms with low-speed water supply from the nearby streams at different elevations, and keep them running for three months. After that, the sediments from the microcosms will be collected, and the elevational patterns in sediment denitrification processes or denitrifiers will be studied using Isotope Pairing Technique and modern molecular methods (functional microarry, for instance). Moreover, six microcosms will be further selected for nutrient manupulation by new-developed nutient-defusing agar substrates and for studying the patterns in the response of denifrication processes to nutrient loading at different elevations. Finally, based on the two types of microcosm exepriments with or without nutrient manipulation, measuring the natural environmental factors, sediment/water physicochemical variables and human activities, we will use statistical models to reveal the microbial roles for sediment denitrification variation with elevation and nutrient loading. These results will provide the theoretical references for feedback mechanisms of aquatic nitrogen removing to external nutrient loading at different climatic zones.

反硝化作用是水体氮负荷削减的重要途径之一，主要受自然环境（如温度）和营养盐负荷（如人类活动引起的外源硝态氮输入）等影响；其间反硝化微生物的作用不容忽视。在前期工作基础上，本项目拟选取具垂直气候带的云南老君山为实验场所，以海拔为自然环境梯度，沿此梯度设立具溪流水量补给的缓水流野外微宇宙实验；实验结束后采集沉积物样品，采用同位素配对法和分子生物学手段（如基因芯片），探讨沉积物反硝化作用及反硝化微生物的海拔梯度格局。此外，选取6个上述微宇宙装置，通过研发界面膜技术来控制水体营养盐，重点考察不同海拔的反硝化作用对营养盐负荷的响应模式。综合上述营养盐调控与否的野外微宇宙实验，考虑自然环境、水体/沉积物理化参数及人类活动，采用统计模型揭示不同海拔条件下营养盐负荷对反硝化作用影响的微生物学驱动机制，为理解不同气候带水体脱氮作用对外源营养盐负荷的反馈机制提供基础理论参考。

我国淡水水体氮污染相关的富营养化问题普遍存在。过高的氮负荷可破坏水体生态系统结构稳定，改变生物群落结构和多样性，进而影响生物地球化学循环及生态服务功能。普遍认为，由营养盐负荷导致的水体富营养化是一个由自然和人为因素叠加的过程。因此，结合自然因素和人类活动，考察水体生态系统中营养盐削减以及相关的微生物学机制是富营养化机理研究和湖泊污染控制中的一个重要课题。在自然条件下，自然因素（如海拔梯度相关的温度）和人类活动引起的水体营养盐常呈现空间自相关；进而使得人们无法获知这两个因素是如何交互影响水体生物群落结构及生态系统功能的生物机制。在本项目中，我们建立了界面膜扩散装置和野外可快速搭建的微宇宙实验装置，该类装置具有高度的可移植性和复制性，控制相应感兴趣的环境因素，从而开展海拔梯度条件下的反硝化等脱氮作用以及相应的微生物群落维持和作用机制。在此技术研发的基础上，我们在具海拔梯度的中国和挪威的山区，放置野外微宇宙体系于自然因素条件及营养盐梯度中，依托野外实验手段，阐明了沉积物反硝化作用在内的脱氮强度以及相应的微生物群落的海拔梯度格局，直接构建了自然环境/人类活动-微生物-生态系统功能之间的耦合关联。在此同时，我们也研究了溪流和湖泊的生物膜上的微生物群落及与氮循环相关的功能微生物群落，获得自然环境条件下的微生物群落的海拔梯度格局以及其与水体营养盐等人类活动或自然因素之间的关联。综合野外微宇宙实验及自然观测数据，我们认识了温度和营养盐负荷对微生物群落结构的影响机制以及进一步驱动水体生态系统功能，相关可结果可为理解不同气候带水体脱氮作用对外源营养盐负荷的反馈机制提供基础理论参考。