长江源区河流底质氮循环关键微生物解析及其对氮转化的作用机制研究

To predict the change in nitrogen fluxes precisely with the runoff variation in the source region of the Yangtze River, it is necessary to understand its nitrogen transformation process. The biological processes of nitrogen transformation are mainly carried out by nitrogen cycle microbial communities, however, the knowledge in the characteristics of nitrogen cycle microbial community and the microbial mechanism of nitrogen transformation processes in the source region is limited. The aim of this research is to study the microbial processes of nitrogen transformation in the source region of the Yangtze River through in situ and simulation experiments. The dominant microbial groups and the key steps of nitrogen transformation processes should be recognized first by analyzing the spatial and temporal distribution of nitrogen fluxes and the nitrogen cycle microbial community in some typical sections of the source region. Then the effect of dominate environmental variables to nitrogen cycle microbial communities in sediments will be performed to determine the responding mechanism of nitrogen cycle microbial communities to environmental variables under flowing water. At last, the interactions between nitrogen cycle microbial community and nitrogen fluxes will be analyzed to explore the microbial processes of nitrogen transformation in the source region of the Yangtze River. The above results could provide important information for the further mathematical modeling of nitrogen fluxes which is the scientific basis for environmental protection of the source region of the Yangtze River.

长江源区生源物质氮循环过程的解析对于变化环境下长江流域的生态环境保护具有重要意义。源区河流底质氮循环菌群对氮素循环起到重要作用，然而现阶段源区河流底质氮循环菌群特征及其对氮素转化的机制仍不清楚，难以实现变化环境下源区河流氮素循环过程的定量解析。本课题针对长江源区河流氮素的微生物转化过程，拟以源区河流底质氮循环关键微生物为研究对象，采用野外观测和室内模拟相结合的方法，首先研究径流变化下源区典型断面氮素和氮循环菌群的分布与变化规律，解析源区河流底质氮循环菌群特征，识别源区河流氮循环的主导功能微生物及关键转化步骤；其次研究氮循环菌群对源区径流、水质等因素的响应规律，阐明动水条件下源区河流底质氮循环菌群对环境因素的响应机制；在此基础上，探讨氮循环菌群的变化与氮素通量之间的动态交互关系，最终阐明长江源区河流底质氮循环菌群对氮转化的作用机制，为长江源区河流氮通量的定量解析和生态保护提供科学依据。

本课题以源区河流底质氮循环关键微生物为研究对象，探讨源区微生物群落与氮素地球化学循环的交互关系，阐明源区河流氮素的微生物转化机制。主要内容包括长江源区河流底质总菌群落特征研究，长江源区河流底质氮素转化功能菌群演变规律研究和径流变化条件下河流底质微生物群落的响应规律研究等三个方面，主要结论如下：.（1）长江源区河流底质总菌群落特征研究。源区细菌、古菌和氮素转化功能菌群的组成结构与源区下游差异明显；源区河流底质细菌多样性远低于下游，源区和源区下游古菌和氮素转化菌群的物种组成均较简单。源区和下游微生物群落集群组成差异巨大，源区内微生物群落时空差异较小，仅构成一个集群；源区细菌群落构建的主要机制为同化选择，下游为同化选择和扩散限制。.（2）长江源区河流底质氮素转化功能菌群演变规律研究。年平均水温是影响源区微生物多样性沿河流纵向演变的关键环境因子；总细菌、固氮菌和亚硝酸盐还原菌呈现相对较高的活性能。硝化-反硝化途径是源区河流底质微生物氮转化的主要途径，nirK是影响源区河流反硝化脱氮产N2O的关键基因；随年平均水温上升，源区河流从N2O汇逐渐转变为N2O源。.（3）径流变化条件下河流底质微生物群落的响应规律研究。微生物细胞形态影响微生物细胞在径流变化条件下的生长速度，无鞭毛棒状菌比有鞭毛球形菌表现出更强的水动力条件依赖性。随着雷诺数的增加，微生物群落丰度先升高再降低；当雷诺数大于2000时，河流底质微生物群落主导构建机制由内部竞争转变为源头驱动。.本课题将野外观测和室内模拟相结合，阐明了径流变化条件下源区河流氮素的微生物转化机制。然而在实际水体中，河流底质微生物群落的分布还受到河槽结构、底质垂向深度等的影响。因此，还需进一步探讨源区河流氮转化微生物群落在不同河槽结构和底质垂向上的分布规律及其驱动的氮转化过程，系统阐明长江源区河流氮循环菌群对氮转化的作用机制，为长江源区河流氮通量的定量解析和生态保护提供科学依据。