富营养湖泊中异养氨氧化碳氮同步转化机制的研究

Heterotrophic ammonia oxidation has been one of the most intensively studied reactions in environmental science and microbiology. Heterotrophic ammonia oxidation also is thought to be a new way for ecological restoration.However, few studies have directly addressed the mechanism of heterotrophic ammonia oxidation process in lake.We have found the heterotrophic ammonia oxidation activities in Huizhou Xihu. We infer from our studies that heterotrophic ammonia oxidation is very important to nitrogen cycle.To comfirm this hypothesis. several areas of a Xihu lake were chosen for this study. First, we determine the rate and proportion of heterotrophic ammonia oxidation rate in the eutrophic lake and find the relation between the pollution load and heterotrophic ammonia oxidation activities. We focused on the contribution of this process to the water environment in eutrophic lake. Then, the mechanism of simultaneous carbon and ammonia removal by heterotrophic ammonia oxidation process also will be study with several methods. With these results, we can begin to assess the the important of heterotrophic ammonia oxidation and autotrophic ammonia oxidation in the nitrogen dynamics of Xihu lake.

异养型氨氧化作为一种独特的氨氧化过程，对同时受有机物和氨氮污染的湖泊的净化具有重要意义,但该领域的研究仍在起步阶段。项目申请者在调查广东省富营养化湖泊污染现状时发现,尽管湖泊同时受有机物和氨氮的污染，但仍保持较高的COD和氨氮去除速率。我们推测，异养氨氧化微生物群落是富营养化湖泊中氨氧化反应的重要参与者。为证明该假说，本课题拟以典型富营养化湖泊惠州西湖为模式生态，将现场调查与实验模拟相结合，采用稳定同位素追踪、高通量测序、抑制代谢途径等手段，分析湖泊内，异养型氨氧化反应特征，以及异养型氨氧化对湖泊氨氧化的贡献；并进一步阐明碳氮同步转化机制和影响该过程的关键因素。本课题的研究结果将氨氧化机制及理论延伸至有机物丰富的环境中，为微生物学领域开拓新的研究热点，同时，该过程作为一种新型同时脱碳、脱氮生物反应途径，将在湖泊生态修复领域具有重要的应用价值。

对湖泊的富营养化控制有重要的影响,本研究组在针对惠州西湖的调查中发现水域内存在有机物-氨氮去除的现象,显示在富营养化条件下可能存在异养型氨氧化的过程。为证实该反应过程开展以下研究：第一部分：以现场调查为起点，在了解富营养化湖泊污染负荷、微生物群落，氨氧化活性等因素后，采用多元分析，机器学习等方法对微生物指标进行预测，揭示西湖的富营养化趋势及建立藻类-微生物对环境因子、营养因子响应的模式；在对引水工程的评估中发现对水质指标有改善，但对水生态系统作用很少，原因是藻类，营养因子与微生物群落形成内部联动网络，形成复杂回路。第二部分，从实验室实验阐明异养型氨氧化过程的反应特征，反应条件，为拓展氨氧化过程的认识，挖掘环境中脱氮微生物群资源提供基础。在选定区域分离、纯化在异养条件下的氨氧化微生物群，获得多株具有异养型氨氧化功能的微生物，并以其中的Y5与DJ1开展研究。通过对两种模式微生物的反应特性、碳源需求、最佳条件与反应径路等研究，发现异养型氨氧化过程的两种类型与复杂特征。以Y5代表的简单碳源利用微生物具有高碳氮比，反应速度快的特点，24小时可完成氨氮与TOC的转化；以DJ1为代表的可以利用复杂碳源的氨氧化微生物具有多种反应体途径。第三部分，结合纯培养特性与高通量分析结果，总结并深化自然条件下异养型氨氧化微生物的特性，并通过模型与网络研究影响潜在异养型氨氧化微生物群落的关键因素，初步建立富营养化湖泊内异样型氨氧化过程的模式。