河流岸边带厌氧氨氧化反应的热区分布与过程效应

人类活动的日益加剧已严重破坏氮循环平衡，导致氮素水污染、N2O大量排放。厌氧氨氧化是由厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐为电子受体将氨氮直接氧化为氮气，避免N2O产生并完成封闭氮循环，因此成为生物脱氮和氮循环领域的国际研究亮点。目前对于自然界厌氧氨氧化的研究多集中于海洋，但其作用机制和关键影响因素尚未知，只是认识到主要发生于不同介质交互区，特别是洋流交汇缺氧海域。陆地生态系统则很少报道。本项目计划以不同氮化合物在水陆交错带中的通量和水流交互为依据，研究厌氧氨氧化反应在河流岸边和近岸地下水中的分布及其生物地球化学特征，探索陆地水生态系统厌氧氨氧化反应的热区分布；重点研究河流岸边带厌氧氨氧化反应的发生机制、产生量与关键影响因素的关系，并辅助模拟试验进行机理定量化测定，研究厌氧氨氧化在区域氮循环中的环境效应。本项目预期成果将对陆地氮循环理论体系进行补充，有重要的科学意义，也为河流污染治理提供新思路。

（1）发现陆地水生态系统厌氧氨氧化反应的热区及对N2O减排的热区效应. 根据厌氧氨氧化的反应底物以及岸边带的生物地球化学特征和景观异质性特点，在研究组多年岸边带研究的基础上，提出假设：湖泊岸边带很可能是厌氧氨氧化反应的热区。首先在白洋淀一处典型岸边带系统进行现场实验，发现岸边带沉积物是厌氧氨氧化菌的高丰度区域和厌氧氨氧化反应的热区，在此基础上进行全湖大面积采样并得到进一步证实；且得到的厌氧氨氧化反应速率是目前自然界所报道的最高值，厌氧氨氧化反应产氮气量占总氮气生成量达11-35%；另外还发现，厌氧氨氧化的反应热区能够显著降低N2O的释放。这是在自然界首次报道厌氧氨氧化反应的热区及热区效应，研究成果发表于国际著名杂志《Nature》的地球科学子刊《Nature Geoscience》(2013. 6(2): 103-107)。..（2）发现河口湿地沉积物是厌氧氨氧化菌的高丰度区域. 河口湿地间歇地受海水涨落的影响，具有海水/淡水交替的特性，往往具有较高的生物多样性和丰度，由此推测河口湿地可能发生显著的厌氧氨氧化反应。以珠江沉积物为研究对象，进行了不同时空条件下的相关研究，发现尽管河口湿地具有非常高的厌氧氨氧化菌丰度，但是厌氧氨氧化反应速率并不与其丰度呈显著正相关，而与其种群结构密切相关。这是首次在自然界发现厌氧氨氧化反应存在此种生化反应特性，文章发表于《Environmental Science & Technology》(2012. 46: 8834-8842)。..（3）开发了人工湿地实现厌氧氨氧化反应的方法并实现温室气体N2O减排. 综合以上自然湿地研究的成果，应用环境化学、微生物学和环境科学等学科知识，开发了人工湿地实现厌氧氨氧化反应并减排N2O的方法。系统稳定后，厌氧氨氧化反应速率提高了10倍，占总氮气生成量的比值提高了5倍（达42%）；同步采用静态箱法原位测定N2O释放通量，并通过对照实验证实，厌氧氨氧化反应过程减少了30%的N2O排放。这是首次报道人工湿地实现厌氧氨氧化反应过程的方法并减排N2O，研究成果发表于环境技术领域的首席杂志《Environmental Science & Technology》(2011. 45(23): 9951-9958)。