湖泊沉积物厌氧铁氧化氨作用特征及其环境效应研究

Nitrogen is one of the necessary nutrient elements for organisms, which sustains the global ecological balance and biological reproduction. Nitrogen is also the main element result in eutrophication. The redox reactions of iron can affect the transport and transformation of nitrogen. Anaerobic ferric ammonium oxidation(Feammox) is the ligament linking the reduction of iron and the anoxic oxidation of ammonium. This project, follows the effect of Feammox, focused on time-space distribution, occurrence conditions and interaction between Feammox and anaerobic ammonium oxidation(Anammox), denitrification using molecular biological technology and isotope tracer technique. The variation characteristics and major environmental factors of Feammox will be illustrated by exploring difference of distribution microbial community which is cased by the difference of the environmental conditions. The interaction mechanism between Feammox and Anammox, denitrification in nitrogen removal and the environment effect of Feammox in in sediments of shallow lake can be revealed by investigating substances and biological coupling process. Based on the results above, the object also aim at the enhanced method of nitrogen removal by improving Feammox. The results can enrich the theory of nitrogen cycle in lake and provide new idea on treatment and restoration technology of nitrogen in lake.

氮素是生物体的基本营养物质之一，维系着全球生态平衡及生物繁衍，也是水体富营养化的主要营养元素。铁氧化还原会影响氮的迁移转化，厌氧铁氧化氨过程（Feammox）是联系铁还原与氨厌氧氧化的纽带。本项目以湖泊沉积物为研究对象，以厌氧铁氧化氨过程效应为主线，借助分子生物学和同位素示踪等技术，研究沉积物中厌氧铁氧化氨的时空分布特征和发生条件以及厌氧铁氧化氨与厌氧氨氧化（Anammox）、反硝化过程的相互作用。通过探讨不同环境条件下厌氧铁氧化氨的过程特征及微生物群落结构差异，阐明厌氧铁氧化氨的主要生态影响因子。从物质和生物过程耦合角度揭示氮去除过程中厌氧铁氧化氨和厌氧氨氧化、反硝化的相互作用机制，明确厌氧铁氧化氨在湖泊沉积物的环境效应，在此基础上探索通过强化厌氧铁氧化氨过程提升氮去除的方法。研究结果可丰富湖泊氮循环理论，为湖泊氮污染治理与修复提供新思路。

厌氧铁氧化氨过程（Feammox）是新发现的氮转化过程，其在河岸带土壤、河流沉积物、水稻田土壤等环境的氮循环过程中起重要作用。目前尚缺乏湖泊沉积物中Feammox的相关研究，其在湖泊沉积物氮循环中的贡献及环境效应仍不清楚。本研究通过野外原位调查及室内模拟，结合同位素示踪以及分子生物学手段，以太湖为研究对象，首先分析太湖沉积物Feammox过程的时空变化特征及其影响因素，包括太湖草型、草型湖区及湖心区Feammox的分布特征、季节分布特征及草源有机质和藻源有机质对Feammox过程的影响，核算了Feammox过程导致的氮损失。其次研究了多种形态铁对沉积物Feammox过程的影响，确定了Fe/C材料对沉积物Feammox过程的长期强化效应；最后通过设计Feammox生物反应器工艺，研究了Feammox工艺特征。本研究发现，太湖不同区域沉积物中均存在Feammox过程，Feammox过程除能够直接导致氮损失外，还能与反硝化、Anammox过程耦合导致氮损失，沉积物Feammox过程以将NH4+直接氧化为N2过程为主。草型湖区和藻型湖区沉积物Feammox速率显著高于湖心区。太湖沉积物Feammox存在明显的季节差异，夏季高，冬季低。沉积物铁还原速率及铁还原菌丰度时空变化规律均与Feammox一致。经核算，梅梁湾区域由Feammox导致的氮损失约占年人为氮输入的5.0-9.2%。活性铁含量、pH、温度会显著影响Feammox过程特征，草源和藻源有机质能够通过刺激沉积物结合态Fe释放来强化Feammox过程，这也是导致太湖草型、藻型湖区及湖心区Feammox速率差异的主要原因之一。提高沉积物铁含量能够提升Feammox速率，Fe/C材料的添加能够增加铁还原菌、反硝化菌及厌氧氨氧化菌丰度，提升Feammox、反硝化及Anammox速率，降低沉积物氮负荷，因此Fe/C材料是一种能够强化沉积物氮去除的良好材料。通过海绵铁与生物膜的方式能够成功构建升流式Feammox生物反应器，虽然反应器内Feammox过程的主要产物为NO3-，但是Feammox能够与依赖NO3-的Fe(II)氧化过程耦合实现氮去除，因此该工艺可以作为一种潜在的水体氮去除工艺，反应器的微生物群落结构分析结果也表明，Fervidicella属可能是反应器内实现将NH4+氧化NO3-的Feammox过程的功能微生物。