沉降蓝藻的存活机制及其对DNRA过程的驱动作用

Field monitoring results show concentration of NH4+-N is higher when the algal bloom outbreak; however, its mechanism is not clear. Recently investigations have illustrated that in eutrophic lake sinking cyanobacteria would promote the denitrification in water-sediment interface. According to it, the proposal puts a hypothesis that sinking cyanobacteria would promote the DNRA of microorganism in water-sediment interface，and obtain energy to maintain the survival from its own DNRA. In this proposal, we intend to conduct field mesocosm study and laboratory simulation experiment combined with 15N isotope-tracing technique to investigate the effects of cyanobacteria on the changes of nitrogen in water-sediment interface and the DNRA of microorganism, and the relationship between the survival of cyanobacteria and its own DNRA in the dark and anoxic conditions. The results would help to expand nitrogen migration and transformation process in lake ecosystem driving by cyanobacteria, and provide new scientific explanation for revealing the survival of cyanobacteria.

现场监测结果显示水华蓝藻水华爆发时氨氮浓度偏高，其内在原因尚不清楚；结合富营养化湖泊中“沉降蓝藻促进底泥-水界面反硝化作用”的研究成果，本申请项目提出“沉降蓝藻可能促进底泥-水界面微生物的DNRA作用，并从自身DNRA过程中获取能量以维持存活”这一科学假说。本申请项目将利用稳定氮同位素示踪技术，围绕上述假说开展实验室模拟研究和现场围隔研究，解析由蓝藻引起的底泥-水界面氮素变化和对微生物DNRA过程的驱动作用，以及在暗光缺氧条件下蓝藻的存活与DNRA过程的相关性，相关研究成果将有助于拓展对蓝藻驱动的湖泊生态系统氮素迁移转化过程的认识和理解，并为揭示沉降蓝藻存活提供新的科学解释。

本项目执行期内，我们针对“富营养化湖泊蓝藻自然沉降”和“暗光缺氧条件下DNRA过程”的相互关系，开展系列室内试验，结合稳定氮同位素示踪技术，解析由蓝藻引起的底泥-水界面氮素变化和对微生物DNRA过程的驱动作用，以及在暗光缺氧条件下蓝藻的存活与DNRA过程的相关性；进一步地，在野外开展围隔试验，探索降蓝藻对水体氮素转化和DNRA过程的影响。本研究基本证实了本项目申请阶段提出的假说即：“沉降蓝藻可能促进底泥-水界面微生物的DNRA作用，并从自身DNRA过程中获取能量以维持存活”，但经过深入研究我们对上述假说有了更深入的认识，包括①沉降蓝藻驱动DNRA的内在机制：沉降微囊藻能够促进底泥-水界面和水柱中缺氧状态的形成，为DNRA过程提供适宜氧化还原条件，而暗光缺氧条件下，微囊藻能够依靠DNRA过程来获得能量从而维持生命活动，持续存活，并向胞外释放有机物，为DNRA过程提供碳源；②蓝藻促进DNRA机制：微囊藻能够促进硝酸盐的还原过程，但不同水层的机制不同，表层主要途径是藻细胞的同化作用，在中层和底层，则主要是通过异化作用，其中底层主要是微囊藻促进了底泥微生物驱动的DNRA和反硝化过程，在中层微囊藻群体颗粒本身驱动了DNRA和反硝化过程，并在围隔实验中初步证实了该现象，这为蓝藻水华与氮循环的关系研究提供了新的启示。