低氧高氨氮河流自养脱氮的微生物学机制

自养脱氮是一种全新的生物脱氮机制，国内外对河流脱氮机理的认识还处于初级阶段，探究河流自养脱氮过程与机制，将为河流氮源污染控制提供理论指导与技术支撑。河流水陆交错带是氧化还原环境频繁交替的微生物活动区，也是最可能同时发生短程硝化与厌氧氨氧化过程的典型区域。本项目将以北运河典型水陆交错带的微生态系统为对象，拟采用分子生物学技术，重点研究功能微生物种群作用下的厌氧氨氧化和自养脱氮过程。深入研究典型好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌在开放水体中的分布与演化、影响因素及对脱氮过程的影响，探索河流水陆交错带微生物菌群结构与微生态系统特征；深入研究以亚硝酸盐氮为核心的氮素的形态分布与迁移转化机制，确定不同氮素形态在交错带微环境内的时空分布规律；在此基础上，探索厌氧氨氧化在河流脱氮中的作用，从分子、细胞水平揭示微生物菌群结构微观变化与河流脱氮宏观效果的关系，提出河流微生态系统与生物脱氮的调控策略与方法。

以北运河水陆交错带为研究对象，重点研究了功能微生物种群作用下的厌氧氨氧化和自养脱氮过程。建立了模拟河流交错带实验系统，确定了交错带氮功能菌的丰度、活性及多样性，探究了典型好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的分布与演化、影响因素及对脱氮过程的影响。分析了不同氮素形态在交错带微环境内的时空分布规律，确定了氮素的形态分布与迁移转化机制，探究了厌氧氨氧化在河流脱氮中的作用。探究了微生物菌群结构变化与河流脱氮效果的关系，揭示了河流水-气-土界面微生物脱氮的机制，初步提出了低氧高氨氮河流生物脱氮的调控策略与方法。主要研究成果有：.1..通过对水-陆交界面上氮分布的观察，发现氨氮的主要来源是外源输入与沉积物中总有机氮的矿化。界面氨氮和硝氮的迁移转化受有机质和溶解氧的影响，在水-陆交界面上，硝化强度和反硝化强度在水-气交界点最高；硝化强度的分布受氧化还原势（ORP）的影响，并呈现明显季节变化；反硝化强度分布受总氮、氨氮和硝氮浓度影响，夏季时反硝化作用最强。.2..氮循环功能菌群在水-气交界点丰度和多样性最高；随着水深增加，氨氧化细菌数量减少，而反硝化细菌数量增加；好氧氨氧化细菌（AAOB）、反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌（AnAOB）共存，反硝化作用对脱氮过程的贡献高于厌氧氨氧化过程；在水-气交界面上AnAOB的活性最强，AnAOB和AAOB分别以Candidatus Brocadia和Nitrosospira/Nitrosomonas为主，ORP是影响其分布的主要环境因子；反硝化细菌归类于α-，β-和γ-Proteobacteria。.3..从河流水-土界面上分离获得了异养硝化细菌，鉴定属于假单胞菌属（Pseudomonas sp.），相似度为97%。该菌株7d内对硝氮和硝氮的去除率可达61.4%和56.3%；应用该菌株处理河水，总氮和氨氮的转化率可达50.3%和57.1%。.4..在模拟水-陆界面反应系统，碳源是影响反硝化细菌的主要因素；分离出的脱氮菌可有效地提高了氨氮和硝氮的去除效率；在A/O界面上总菌群和氮功能菌群多样性最丰富，硝化过程和反硝化过程同时进行；厌氧区的微生物菌群数量和多样性较少，而好氧区微生物数量介于A/O界面和厌氧区之间；反硝化细菌以Acidovorax sp.为主，而AAOB细菌主要以Nitrosospira/Nitrosomonas为主。