基于厌氧氨氧化作用的三峡库区水体氮素污染原位修复潜力研究

The nitrogen eutrophication and consequent seasonal blooms in Three Gorges Reservoir have triggered a serious threat to the ecological balance of the reservoir. The research has found that anammox process which occurred in sediments of lakes and rivers has important contributions to nitrogen elimination of freshwater aquatic ecosystems. The project analyzed the in situ remediation capabilities of anammox process for eutrophic water, for the purpose of exploring potential of nitrogen release of anammox bacteria in Three Gorges Reservoir. Molecular biological techniques such as High-throughput sequencing, Q-PCR, were applied to make qualitative and quantitative analysis in 16S rRNA gene and specific functional enzyme gene fragment (Hydrazine Oxidoreductase, HZO)of anammox bacteria, to clarify spatial and temporal distribution characteristics of anammox bacteria in sediments at the Xiangxi Bay; Stable isotope labeling (15N) techniques was used to monitor total nitrogen released by anammox bacteria dynamically, and explore denitrification law of anammox process in sediments. Eventually, the potential for nitrogen pollution remediation in situ at three gorges reservoir based on anammox bacteria was revealed. The succeeded completion of this project will be important scientific meaning to control nitrogen eutrophication in Three Gorges Reservoir and large artificial reservoirs and ponds engineering and exploit in situ remediation technologies.

三峡水库氮素富营养化以及由此引发的季节性水华已严重威胁库区生态平衡。研究发现，发生于湖泊、河流沉积物中的厌氧氨氧化作用对净化水体氮素具有重要贡献。本项目即以探索三峡库区厌氧氨氧化细菌释放水体氮素潜力为目的，解析厌氧氨氧化作用对三峡库区富营养水体的原位修复能力。项目利用高通量测序、定量PCR等现代分子生态学技术，针对厌氧氨氧化细菌的16S rRNA基因及特征功能酶(Hydrazine Oxidoreductase, HZO)基因片段进行定性和定量分析, 阐明库湾沉积物中厌氧氨氧化细菌的时空分布特征；利用15N稳定同位素标记技术，针对沉积物中厌氧氨氧化细菌释放的氮素总量进行动态监测，解析厌氧氨氧化作用在库区沉积物中的脱氮规律。最终揭示厌氧氨氧化细菌对三峡库区水体中氮素污染的原位修复潜力。该项目的完成，对三峡库区以及大型人工库塘工程水体氮素富营养治理及原位修复技术开发具有重要科学意义。

三峡水库氮素富营养以及由此引发的季节性水华已严重威胁库区生态平衡。研究发现，发生于湖泊、河流沉积物中的厌氧氨氧化作用对净化水体氮素具有重要贡献。本项目即以三峡库区的典型支流香溪河为研究对象，探索三峡库区厌氧氨氧化细菌的时空分布规律。本项目以香溪河与长江交汇处为起点，沿河向上，设立5个固定取样位点，获取不同季节的沉积物样品。项目历经三年，分别在2016年和2017年对香溪河沉积物进行取样。取样时，利用取样船，按照设定的监测点位，用深水取样器取样。沉积物样品的理化性质、微生物种群结构，以及沉积物中厌氧氨氧化菌的丰度的分布状况分别被检测分析。项目以氮源丰富的池塘沉积物底泥作为菌源，以亚硝态氮和氨态氮为氮源，定向富集厌氧氨氧化菌群，并获得能够氧化氨和还原亚硝态氮的富集培养物。利用统计分析方法对沉积物的理化性质和沉积物中厌氧氨氧化菌的丰度进行相关性分析。解析环境因子对厌氧氨氧化菌的丰度、分布影响。并取得如下结果：.（1）香溪河沉积物中，存在较为丰富的氮、磷、有机质。不同位点，其营养元素的分布不同，通常上游含量较低，下游含量较为丰富，特别是在与长江的交汇处，以及香溪河口的S1位点。而各个位点在不同月份，沉积物中养分的变化并不明显，并且不同河流区段之间的差异较大。.（2）香溪河中微生物的多样性非常丰富。利用高通量测序技术分析获得的结果显示，在同一位点，不同季节，菌群也呈现较大的差异波动，这主要体现在菌群OTUs种类和丰度的显著变化。在香溪河沉积物中，厌氧氨氧化菌的丰度分布并不均衡，表现为部分位点丰度高，部分位点丰度低，最高丰度可达107数量级/g沉积物土壤。厌氧氨氧化菌的存在对香溪河中氮的释放具有积极的作用。相关性分析显示，在香溪河与长江交汇处，沉积物中厌氧氨氧化菌的丰度与沉积物氨态氮的浓度具有较好的相关性。.（3）沉积物中存在一定丰度的古菌类群。古菌类群以产甲烷古菌为主，包括Methanoregula, Nitrososphaera, Methanosalsum, Nitrosopumilus, Methanomassiliicoccus, Methanothrix, Methanolinea, Woesearchaeota等优势菌群。.香溪河沉积物中厌氧氨氧化菌的丰度在香溪河的分布规律的探索，对指导水体氮素富营养治理提供了重要的科学参考。