悬浮颗粒物-水界面氮释放特征及其对湖泊水质影响机制

As an important part for lake ecosystem, suspended particulate matter (SPM) plays an important role in the lake nitrogen cycle. It has great influence on the nitrogen content variation in lake water. Presently, the domestic and international researches on this field are still relatively weak. This project intents to select Erhai Lake as the representative. With the process study at SPM-water interface as the main research frame, we aim to accurately identify the seasonal variation and regional distribution characteristics of the SPM composition and nitrogen forms at SPM-water interface; study the nitrogen releasing mechanism at SPM-water interface and determine the key geochemical parameters for impacting SPM nitrogen releasing; clarify the microbe-driven mechanism for nitrification-denitrification process at SPM-water interface, and explore the bioavailability of released nitrogen at SPM-water interface by the synergy effect of bacteria and algae. The innovations of the project were to reveal the impact mechanism by the coupling effect of SPM composition and environmental factors on the nitrogen releasing; and to comprehensively reveal the impact mechanism of nitrogen releasing on lake water quality from the perspective of chemical and biological processes. The obtained results will have the important supporting effect on further revealing the mechanism of nitrogen migration and transformation in plateau lakes. And it could also promote the deeper study on lake eutrophication mechanism in the near future.

悬浮颗粒物是湖泊生态系统重要组分，其在湖泊内氮循环过程中扮演重要角色，对湖泊水体氮浓度变化有重要影响，目前国内外针对悬浮颗粒物氮释放特征及其对湖泊水质影响方面的研究尚属起步阶段。本项目拟选择洱海为代表，以研究悬浮颗粒物-水界面过程为主线，准确识别其结构、组分及颗粒物-水界面氮赋存形态的季节性变化特征及区域性分布特征，研究揭示悬浮颗粒物-水界面氮吸附释放机制，确定影响其释放过程的关键地球化学参数，阐明颗粒物-水界面硝化-反硝化过程的微生物驱动机制，探讨微生物与藻类协同作用对颗粒物-水界面氮生物利用性的影响。在揭示结构组成与环境因子间耦合作用对颗粒物-水界面氮吸附释放影响机制，和从化学过程和生物过程的角度来综合揭示其对湖泊水质影响机制的方面有所创新。项目的研究成果有助于进一步揭示高原湖泊氮迁移转化机制，对推动湖泊富营养化机理研究具有重要意义。

悬浮颗粒物（SPM）是湖泊生态系统重要组分，其在湖泊内氮循环过程中扮演重要角色，对湖泊水体氮浓度变化有重要影响。本项目选择高原湖泊洱海为代表，以研究悬浮颗粒物-水界面过程为主线，以准确识别其结构、组分及颗粒物-水界面氮赋存形态的季节性变化特征及区域性分布特征，揭示悬浮颗粒物-水界面氮吸附释放机制，确定影响其释放过程的关键地球化学参数，阐明颗粒物-水界面硝化-反硝化的过程机制，探讨微生物与藻类协同作用对颗粒物-水界面氮生物利用性的影响为主要研究内容，开展一系列研究。结果表明，洱海SPM主要是以浮游植物颗粒及动植物有机残体等为主，ρ(SPM)全湖变化范围在0.7~15.2mg/L 之间，由北向南总体呈下降趋势，随水深增加SPM总体呈下降趋势，季节上呈夏季＞秋季＞冬季＞春季的变化规律。SPM -水界面氮释放过程包括快速释放和缓慢释放2个阶段，且释放的类蛋白与类腐殖质含量比例可间接作为衡量SPM-水界面溶解性有机氮（DON）各组分释放特征的指标。结合光谱技术，解析了颗粒物-水界面硝化反硝化过程释放氮的结构组分特征，并利用数学模型确定有机氮在洱海水体溶解相和颗粒相之间的分配系数（Kd）（lgKd为6.12±0.47），表明有机态氮具有较高的颗粒反应性，可很大程度上被浮游植物吸收利用，加大湖泊富营养化风险。最后通过室内接种细菌和铜绿微囊藻，对比研究了洱海沉积物源SPM释放DON生物利用规律，结果表明藻类培养条件下SPM释放DON生物有效性（8.46-42.46%）略低于细菌培养条件下的生物有效性 (10.51-45.31%)，藻类培养方法被证实更适合评价SPM释放DON生物有效性。此外在以上研究结果基础上，本项目还归纳总结了SPM对上覆水溶解性有机氮（DON）影响机制，主要包含SPM对DON吸附沉积机制-SPM降解对DON释放影响机制-沉积物再悬浮过程DON释放机制。本项目研究结果对进一步揭示高原湖泊富营养化机理具有重要支撑作用，可为洱海等高原湖泊的富营养化治理提供科学依据。