河口潮滩湿地厌氧氨氧化及其环境调控机理研究

Anaerobic ammonium oxidation (ANAMMOX) in estuarine and coast ecosystems has been given more attention in the recent years. However, the mechanisms controlling ANAMMOX and its contribution to the nitrogen cycling in these complex ecosystems still remain unclear so far. Due to a large amount of suspended sediments carried by the Yangtze River, extensive tidal flats have developed along the Yangtze estuarine and coastal zones and therefore are considered an ideal field laboratory. So, this project is designed (1)to study the spatial and temporal distributions of ANAMMOX in the tidal wetland of the Yangtze Estuary with a stable isotopic technique, (2) to analyze the distributions, compositions, diversities, and abundances of ANAMMOX bacteria with molecular biotechnology, (3) to quantify the corelations between the rates of ANAMMOX and the dynamics of ANAMMOX bacteria in the tidal ecosystem, (4) to explore the main environmental facotrs and mechanism controlling ANAMMOX, and (5) to discuss the contributions of ANAMMOX to the nitrogen cycling in the study area. This project is of significance to in theory deepen the understanding of the nitrogen transformation processes in the estuarine and coastal ecosystems. It is also useful for the management and protection of the wetland eco-enviroments in the study area and other estuaries in China. In addition, it can provide significant information on how to mitigate the pollution of reactive nitrogen from the basin of the Yangtze River.

河口近岸环境中的厌氧氨氧化（ANAMMOX）研究是目前广为关注的热点科学问题。但是，在这一复杂环境系统内有关ANAMMOX反应过程、影响机制及其在区域氮循环中的贡献至今尚未被清楚地认识和了解。鉴于此，本项目以长江口潮滩作为典型研究区，运用稳定同位素示踪和现代分子生物学技术，系统研究河口潮滩湿地生态系统内ANAMMOX过程的时空变异，分析ANAMMOX菌在潮滩湿地内的种群结构、丰度、多样性及其分布特征，定量剖析ANAMMOX菌的种群动态变化与ANAMMOX反应速率之间的耦合关系，揭示控制河口潮滩ANAMMOX过程的关键环境因子及其影响机制，并探讨ANAMMOX过程在河口潮滩氮素生物地球化学循环中的重要性。通过本项目的开展，不仅可深化对河口近岸氮素生物地球循环过程和作用机制的理论认识，而且可为长江口和我国其它河口近岸带湿地生态环境的保护与管理、以及氮污染控制提供重要的理论支撑。

长期以来，反硝化作用被认为是活性氮脱离水生生态系统的唯一生物途径，但是，在20世纪90年代初期，厌氧氨氧化过程的发现打破了这一传统观念，从而对氮素的生物地球化学循环过程有了更为深入的认识。厌氧氨氧化过程是指在厌氧条件下，微生物直接以氨氮作为电子供体，以亚硝态氮或硝态氮作为电子受体，将其中的氮转变成氮气的过程。可见，与反硝化相似，厌氧氨氧化也是将活性氮永久地脱离水生生态系统的有效途径，对消减水环境中活性氮的含量水平和缓解水体富营养化具有重要的环境效应。因此，开展河口近岸区域内厌氧氨氧化过程及其影响机制研究，是当今自然地理学、环境科学以及微生物生态学等相关研究领域内的热点科学问题。本项目以长江口潮滩作为典型研究区，研究了河口潮滩厌氧氨氧化过程的沿程分布和季节变化特征，分析了河口潮滩厌氧氨氧化菌的菌群结构、丰度、多样性，阐明了河口潮滩厌氧氨氧化菌的菌群动态与活性之间的耦合关系，揭示了控制河口潮滩湿地中厌氧氨氧化反应过程的关键环境因子与影响机制，并定量估算了厌氧氨氧化过程在河口潮滩湿地脱氮过程的贡献。相关研究成果已在《Environmental Science and Technology》、《Journal of Geophysical Research》、《Applied and Environmental Microbiology》、《Applied Microbiology and Biotechnology》、《中国环境科学》、以及《环境科学》等国内外重要学术期刊上发表学术论文25篇。上述研究成果不仅深化了河口潮滩氮循环过程和作用机制的理论认识，而且还可为长江河口的环境管理、湿地保护和流域氮污染控制提供重要的科学决策依据。