浅水湖泊藻沉降对反硝化过程的影响及其作用机制

As an important part of nitrogen cycle, denitrification acts as the main way for nitrogen removal, which benefits for eutrophication control and nitrogen balance in the aquatic ecosystem. It was reported that organic matters and dissolved oxygen are key factors that affect denitrification. When algal bloom occurs, the decay of algal biomass often lead to oxygen depletion and introduce substantial amounts of organic matters, which may produce potential influences on denitrification. Although many studies have been conducted about eco-environmental impacts of algal blooms and denitrification in lakes/ reservoirs, little focus on the effects of algal blooms on denitrification. In this study, the effects of algal deposition on denitrification will be studied and quantified using a modified MIMS method for in-situ analysis of denitrification rate in the Taihu Lake. The molecular biological mechanisms will be also illustrated using q-PCR and pyrosequencing method. The results will provide crucial insights into the eco-environmental impacts of algal blooms.

反硝化作用作为氮循环重要组成部分，是水生态系统中主要脱氮途径，在控制水体富营养化水平、维持水体氮平衡方面起着至关重要的作用。有机物、溶解氧等被认为是影响反硝化过程的关键因子。水体富营养化导致藻类肆意生长，藻体沉降往往引起水体缺氧，产生大量有机物，对反硝化过程产生潜在的影响。目前，富营养化水体藻华暴发的生态环境效应已有大量研究，但有关藻沉降对反硝化过程影响还鲜有报道。本项目以藻华频发的太湖为研究对象，结合膜接口质谱仪技术（Membrane Inlet Mass Spectrometry, MIMS），建立原位反硝化速率测定方法，探究藻沉降对反硝化过程的影响，量化强化脱氮效应；利用实时荧光定量PCR、高通量测序等技术手段揭示分子生物学作用机理。本研究结果对深入研究水体富营养化的生态效应具有重要意义。

在富营养化的湖泊中，聚集沉降的藻类在衰亡过程中会产生大量有机碳并消耗氧气，有利于沉积物中的氮通过反硝化作用回到大气中。然而，持续的风会导致藻类聚集成厚厚的一层藻浆，对沉积物脱氮的影响机制尚不确定。在这项研究中，我们调查了藻类积聚集对大型浅水富营养化的太湖中沉积物脱氮的影响。野外调查表明，上覆水中藻类的迁移决定了沉积物脱氮速率的时空格局。藻类迁移所造成的藻类高度集中，往往会形成湖泊氮流失的热点，且脱氮速率与藻类生物量呈负相关。在藻类生物量较少的区域，沉积物的脱氮速率相对较低，且与藻类生物量呈正相关。分段线性回归分析表明，当上覆水中藻类生物量Chl a > 73.2 μg/L可降低沉积物的脱氮速率。模拟柱实验也表明，大量的藻类聚集会导致沉积物脱氮速了的降低，表明硝化-反硝化耦合作用可能被中断。同样，野外实时监测也表明，当大量藻类聚集时，沉积物的脱氮速率也有类似的减少情况。这可能是由于过量藻类生物量的死亡分解造成，不仅耗尽了水体中的溶解氧，而且进一步抑制了硝化作用，从而最终抑制了沉积物中的反硝化作用。我们估算，如果这种程度生物量的藻类聚集发生在太湖面积的20%或10%以上，在蓝藻暴发期，沉积物脱氮速率会分别从835.6降至167.2和77.2 μmol N m-2h-1。虽然脱氮速率可能会在稍后恢复，但脱氮量的明显下降可能会为藻类的增殖和强化创造一个窗口。这项研究提高了我们对浅水富营养化湖泊中藻类迁移对氮元素生物地球化学循环影响的认识。