地下水系统中微生物介导的关键氮循环过程及其环境效应

The groundwater systems are important places for N geochemical cycle, and microorganisms are the main drivers of the cycle in groundwater systems. In this proposal, in the case study area of Hangjinhouqi, Inner Mongolia with high ammonium in groundwater, the biotic and abiotic sources and attenuation of ammonium will be investigated using an integrated approach including hydrogeochemical analyses, microbial molecular ecology and stable isotope techniques. The microbial transformation processes and metabolic characteristics of ammonia nitrogen and their effects on Fe and As cycles will be analyzed in situ microcosmic experiments. The in situ diversity and community structures of ammonia-oxidizing bacteria and archaea and anaerobic ammonia-oxidizing bacteria, as well as the key environmental factors shapping the microbial communities will be detected. The model of nitrogen transformation in groundwater system will be constructed. These studies will improve our understanding of the mechanisms of microorganisms involved in high ammonium groundwater in situ and provide scientific evidences for sustainable utilization of groundwater resources.

地下水生态系统是研究N元素地球化学循环的重要场所，微生物是地下水中N素循环的主要驱动者。本项目拟以内蒙古河套平原高氨氮地下水为研究对象，采用水文地球化学与微生物分子生态学技术相结合，联合稳定同位素的方法，聚焦地下水系统中氨氮的来源和归趋，解析地下水氨氮的非生物和生物来源途径，以及微生物参与氨氮的转化过程、代谢特征及其耦合关系，分析氨氮转化对Fe/As地球化学过程的影响，研究氨氮转化功能菌群时空分布特征及其对环境因子的响应规律，构建地下水氮素转化模型，深入剖析内陆干旱半干旱地区高氨氮地下水的成因机制和演化规律，为进一步修复控制地下水环境氮污染，合理开发利用地下水资源提供科学依据。

本研究以内陆内蒙古河套平原典型高氨氮地下水系统为研究对象，采用基于微生物RNA/DNA多组学与纯培养等技术并结合同位素示踪的方法，研究微生物作用下高氨地下水形成与演化。研究发现,微生物介导的氮转化过程沿地下水流场不断演变。沿地下水流场,微生物矿化产氨、硝酸盐异化还原为氨（DNRA）和厌氧氨氧化作用（Anammox）逐渐增强，反硝化作用逐渐减弱,氨消耗逐渐低于来源的贡献，最终在排泄区形成高氨地下水。地下水排泄区氨氮主要来源于含氮有机物矿化、DNRA以及固氮，贡献率分别为71.12%、18.87%和10.01%，参与氨氮转化主要有AOB和异养硝化-反硝化细菌HNB介导的硝化,贡献率分别为19.84%和80.16%。Anammox和DNRA作用随地下水深度增加而渐强。区别于传统认知Anammox和DNRA细菌争夺亚硝而互相竞争生态位，深层地下水中Anammox和DNRA分布呈现高度相关性,宏转录组结果显示耦合挥发性脂肪酸氧化的DNRA协助Anammox在不利条件下生存，并能使Anammox在redox环境中转换自如。在排泄区Anammox有大量且灵活的铵、铁获取途径。受地下水流场和垂向redox波动影响，下游排泄区氮周转迅速，氮转化微生物活性强,普遍具有灵活多变的代谢机制。微生物种群在水文过程影响下发生漂移对并下游微生物群的组装产生影响。上游补给区的微生物群落以发散型为主，而下游排泄区微生物以收敛型为主。从浅层地下水（15-30m）补给区到排泄区，好氧氨氧化微生物(AOMs)相互竞争，占据不同生态位。硝化主要贡献者由AOA Nitrosopumilus、NOB/Comammox Nitrospira逐渐转变为AOB Nitrosomonas和HNB Pseudomonas。主控因素除铵根和DOC之外,水位波动redox产生的活性氧（ROS）控制着AOMs的分布。室内实验证明ROS对AOMs群落组装影响巨大，不同AOMs对ROS的响应取决于抗氧化酶系统的差异以及各自进化分歧和生存策略。宏转录组分析和纯培养验证结果表明，地下水微生物氮转化过程与碳代谢、Fe氧化/还原、砷还原以及砷甲基化和去甲基化等过程耦合。