富营养化对蓝藻固氮能力及功能群间相互作用的影响

Eutrophication of freshwater is one of the most serious global environmental concerns. Debate continues over whether nitrogen or phosphorus, or both of them, should be the primary target in controlling water bloom. This debate reflects a lack of scientific understanding on whether free nitrogen fixation by Cyanobacteria can meet the nitrogen demand of aquatic ecosystems. Despite the well-recognized importance of nitrogen-fixing Cyanobacteria (also referred to as diazotrophic Cyanobacteria) in oligotrophic lakes and oceans, few studies have explicitly examined their N-fixing ability, as well as their interactions with non-N-fixing Cyanobacteria in eutrophic freshwaters. This project plans to establish a mesocosm containing ponds of different eutrophic levels in an artificial wetland system. By doing so, we aim to test the effects of nutrients on the dynamics of diazotrophic Cyanobacteria, and on the contribution of free nitrogen fixation to the phytoplankton N pool. Furthermore, we intend to set up a laboratory cultivation system to explore the effects of N:P under different nutrient levels on the interaction between diazotrophic and non-diazotrophic Cyanobacteria. This study will improve our knowledge on the ecological function of diazotrophic Cyanobacteria in eutrophic lakes, and aid in optimizing the methods to control water bloom in lakes.

湖泊富营养化是全球面临的最严峻的环境问题之一，究竟应该只控制磷（P），还是氮（N）和P同时控制是富营养化治理研究的重要议题，争论的核心在于蓝藻固氮是否能满足湖泊生态系统对N的需求。尽管固氮蓝藻被认为对地球水生态系统的N输入有重要意义，但在富营养化湖泊中蓝藻固氮功能的营养驱动机理尚不明确。为了研究富营养化对蓝藻固氮能力及藻类功能群间关系的影响，本项目拟在北京野生动物救护中心的水禽养殖湖-人工湿地联合系统中，利用净化前后水体富营养程度不同，建立中型试验系统，通过定期调查，研究不同水体富营养化程度对固氮和非固氮蓝藻功能群结构，以及生物固氮对浮游植物N库贡献的影响。同时，在实验室建立小型培养系统，设定不同富营养化程度下的N:P梯度，和不同的固氮和非固氮蓝藻组合，研究N:P在不同富营养化程度体系中对固氮和非固氮蓝藻种间关系的影响。本研究能为选择最有效的方式控制湖泊富营养化、防止蓝藻暴发提供科学支持。

随着人类活动加剧，水生态系统的N循环过程面临着重大变化。固氮蓝藻对淡水体系的氮库贡献率，及其在不同水环境中与非固氮蓝藻的种间关系仍不清晰。本项目研究生固氮蓝藻功能群在淡水环境中的角色，为合理控制水生态系统营养盐输入，防止水华暴发提供科学论依据。本研究在北京野生动物救护中心的水禽养殖湖-人工湿地联合系统中，通过定期调查，研究不同水体富营养化程度对固氮和非固氮蓝藻功能群结构，以及生物固氮对浮游植物 N 库贡献的影响。同时，建立小型培养系统，研究固氮和非固氮蓝藻在不同 N:P体系中的种间关系。.通过连续监测人工湿地中的浮游植物组成、颗粒物有机氮（PON）和水体固氮速率（Rn），分析固氮蓝藻鱼腥藻属（Anabaena）和非固氮蓝藻微囊藻属（Microcystis）藻细胞密度的季节变化，计算了各个来源（大气N2，鸟粪，沉积物和水体硝酸盐）对水体PON的贡献率。结果显示人工湖中鱼腥藻和微囊藻交替爆发，Rn与PON和鱼腥藻细胞密度均正相关（P < 0.05），说明鱼腥藻输入的新氮可能被微囊藻利用转化为PON。大气N2对生长季人工湖和人工湿地PON贡献率范围分别为0.5 ~ 82.0% 和 50.0 ~ 86.0%，9月水体固氮速率达到最高时大气N2对PON贡献率可达 > 80%。本研究表明人工湖中的鱼腥藻固氮能为微囊藻提供可利用氮，可能是人工湖夏季微囊藻水华的原因之一。.在实验室内建立小型试验体系，研究藻纯培养和混合培养体系中的固氮和非固氮蓝在不同N:P下增长速率、最大环境容纳量和竞争抑制系数的影响，分析在不同N:P条件下固氮和非固氮蓝藻间种间关系。微囊藻在所有N/P比条件下占绝对竞争优势，鱼腥藻在混合培养体系中受到抑制。微囊藻在混合培养体系中增殖能力高于纯培养体系，且纯培养微囊藻和混合培养体系的无机氮动态无显著差异（P > 0.05）。结果说明固氮蓝藻鱼腥藻竞争能力较弱，其与微囊藻的共生环境能促进非固氮蓝藻微囊藻增殖，不排除其为微囊藻提供新氮的可能。固氮和非固氮蓝藻在所有N/P条件下均呈现对非固氮微囊藻更有利的关系。