温室效应对水层过量氮转化的影响及漂浮植物的调节机制

There are strong interactions between greenhouse effect and nitrogen cycle in ecosystem. However, most of the previous studies have focused on the contribution of N2O emission from aquatic ecosystem to greenhouse effect, whereas the effect of greenhouse effect on nitrogen cycle in aquatic ecosystem has been receiving little attention. In this proposed research, double 13CO2 and 15N labelling technology followed with Isotope-ratio mass spectrometry analysis, in combination with stable isotope probing technique, will be used to study the effect of increasing atmospheric CO2 levels and temperature on the diversity, composition and function of nitrogen cycling bacteria and transformation of nitrogen in different depths of eutrophic water. A new gas collecting method to collect in-situ the release of nitrogen gas from different layers of waters will be used to measure the effect of increasing atmospheric CO2 levels and temperature on 15N2O emission and 15N2O/15N2. Base on above studies, the effect of floating aquatic macrophytes on atmospheric CO2 levels, water temperature, CO2-carbonates balance in water, organic carbon, thermal stratification, physical and chemical properties under thermal stratification and functional nitrogen cycling bacteria will be studied to help to clarify the mechanisms involved in how floating aquatic macrophytes mediate the increasing atmospheric CO2 levels and temperature and N2O emission from water. Through the proposed research, it is expected to provide the theory base for how greenhouse effect influence the excessive nitrogen transformation in water and how floating aquatic macrophytes mediate these processes.

温室效应与水体氮循环之间关系密切，以往研究多关注于N2O等温室气体排放对温室效应的贡献，忽视了温室效应对水体过量氮转化的影响。本申请拟采用13CO2及N-15双标记及稳定同位素质谱分析技术，结合稳定性同位素核酸探针技术等分子生物学手段，研究在温室效应的大气CO2浓度增高、增温条件下，富营养化水体不同深度水层参与氮生物转化的功能菌群多样性、结构，以及氮生物转化关键过程的变化。同时，借助收集不同水层释放生物脱氮气态产物的新方法，评价CO2浓度增高、增温对水体排放15N2O、15N2O/15N2的影响。在此基础上，研究漂浮水生植物对大气CO2浓度、水体CO2-碳酸盐系统平衡、有机碳量、热力学及理化环境因子分层效应及氮转化功能菌群的影响，分析漂浮植物通过调节上述因素对CO2浓度增高、增温及水体排放N2O的调节作用。通过研究，期望为温室效应对水体过量氮转化的影响及漂浮植物的调节作用机制提供理论基础。

水体碳氮循环之间关系密切，大气CO2浓度增高、温度变化对富营养化水体微生物的碳氮转化功能、N2O排放的影响，及漂浮水生植物对这些过程的调节作用仍不明确。项目通过野外原位监测、室内微宇宙实验、培养实验，采用13CO2及N-15双标记及稳定同位素质谱分析技术，结合稳定性同位素核酸探针、高通量测序等分子生物学手段，研究了在大气CO2浓度增高、温度变化条件下，富营养化水体（包括不同深度水层）细菌种群结构与多样性、微生物碳氮转化功能、氮生物转化关键过程以及N2O排放的变化；在此基础上，研究了漂浮水生植物凤眼莲对上述过程的调节作用。研究发现随着温度升高引发富营养化水体频繁的蓝藻爆发，改变水体系统的微生物群落结构、多样性，从而引起微生物驱动的碳氮循环发生变化；水体中反硝化细菌丰度（nirK, nirS, nosZ基因丰度）、种群结构与蓝藻生物量的变化也呈现显著的正相关。大气CO2浓度升高显著增加了参与CO2同化的细菌（光合细菌）和相关功能基因(cbbL IA&IC、cbbL ID、cbbM、pufM)的丰度，促进了光合自养的功能富集；同时，促进藻的生长，导致藻类和硝化细菌对无机碳产生竞争，降低了硝化细菌的丰度，轻微地抑制硝化作用。相反大气CO2浓度升高增加了与反硝化作用和C降解相关的细菌和功能基因的丰度，促进反硝化作用和N2O的释放，以及烃类降解、纤维素水解和芳香烃降解等功能的富集。大气CO2浓度升高促进了凤眼莲的生长与光合固碳能力，以及一些具有硝化特性的CO2同化细菌和具有反硝化特性的C降解细菌丰度，减少了N2O的释放。漂浮水生植物恢复有利于减缓温室效应。研究结果丰富和明确了温室效应背景下富营养化水体系统的碳氮耦合生物地球化学循环过程对大气CO2浓度升高、温度变化的响应规律，为如何通过恢复水生植被调节大气CO2浓度升高引起的一系列负面反应提供理论依据。