淡水湖泊沉积物的厌氧氨氧化作用特征及其环境效应研究

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。现已证明厌氧氨氧化作用产生氮气是海洋氮素循环的一条关键途径，最近在多个淡水系统中也发现了该现象，预示着它在陆地水体氮素转化中也有着重要的意义。本课题以淡水湖泊沉积物为研究对象，借助分子生物学和同位素示踪等技术手段，研究沉积物中厌氧氨氧化菌的物种多样性、厌氧氨氧化作用的季节性变化、厌氧氨氧化和反硝化两种去氮反应的相互影响。通过探讨湖水流动中水质改变引起的厌氧氨氧化菌种分布差异，阐明厌氧氨氧化作用的动态变化特征及其主要生态影响因子，并从物质和生物耦合角度揭示去氮过程中，厌氧氨氧化菌和反硝化菌的竞争协作对厌氧氨氧化反应的内在制约机制，最终明确厌氧氨氧化作用在淡水湖泊中的环境效应。研究结果可丰富湖泊氮素循环理论，为水体氮污染治理提供一些新思路。

本课题借助分子生物学和同位素厌氧培养等技术手段，研究了淡水湖泊中沉积物厌氧氨氧化反应现象。研究结果表明硝酸盐和亚硝酸盐浓度峰主要出现在沉积物底层2-8cm，这也是反硝化和厌氧氨氧化反应最易发生的区域。在10处研究点均测到厌氧氨氧化菌的存在，并以Candidatus Brocadia fulgida为主，这说明厌氧氨氧化菌在淡水湖泊，尤其是富营养化湖泊中可能是广泛存在。在鱼塘中发现一种与Candidatus Brocadia sinica同源性有85%的菌种，推测可能是Brocadia属的一个新品种。沉积物厌氧培养实验表明，武汉东湖、南湖、养殖塘沉积物厌氧氨氧化速率均值分别为：127.0、177.1和99.8µmol•m-2•h-1，厌氧氨氧化N2产量分别为3类沉积物N2总产量的12.1%、8.2%、13.2%。反硝化与厌氧氨氧化之间存在显著的正相关关系（P<0.01）。厌氧氨氧化速率表现出夏季＞秋季＞春季≈冬季的季节变化特征，并呈现沿污染物扩散方向逐渐减小的空间变化特征。沉积物上覆水温度、间隙水中NO2-对厌氧氨氧化反应的影响，在3类湖泊沉积物中都达到了显著性水平（p＜0.05）。