浮聚蓝藻对富营养化湖泊底泥-水界面反硝化的影响机制及其反馈作用

Field long-term monitoring has suggested that annual TN changes periodically in eutrophic lakes, such as Dianshanhu lake.Up to now, the mechnism is unkown. Recently investigations have illrustrated that lake ecosystem would give negitive feedback in response to enternal TN and TP loading. According to it, the proposal puts forward a hypothesis that in summer, the surface cyanobacterial bloom would promote anaerobic environment, and provide additional carbon resource in water-sediment interface, and increasing denitrification rate. As the TN in water column decreases, more cyanobacteria sink and be captured by sediment. Thus, the denitrification persists, and even been enforced. In order to reflect the relationship of temporal and spatial variation of cyanobacteria and denitrification in water-sediment interface, batch tesst and microcosm experiments are conducted to investigate the impact of vertical distribution of cyanobacteria on DO and denitrification, and the buoyancy regulation factors in response to different light-nitrogen conditions. Enclosure experiments are conducted to further illuminate the influence of upfloated cyanobacteria on water-sediment interface denitrification in eutrophic lake and its feedback effect. Those studies would provide scientific basis for revealing internal relation between the denitrification capacity of lake ecosystem and dynamics of cyanobacteria.

现场长期监测结果显示，对于富营养化湖泊如淀山湖，水体总氮存在明显的年内周期性变化现象，其内在原因尚不清楚。结合最近关于"湖泊生态系统对于外源性氮、磷的输入具有负反馈响应机制"的研究发现,本申请项目提出"夏季浮聚蓝藻促进底泥-水界面出现厌氧条件，并提升界面可生物利用的碳源量，提高生物反硝化速率；水体总氮的降低产生正反馈作用，促使更多蓝藻沉降并停留在底泥-水界面，使得生物反硝化得以持续甚至加强"这一假说。为此，本项目针对"蓝藻生物量的时空动态变化"与"底泥-水界面反硝化过程"的相互作用关系，通过分批小试和受控微宇宙试验，解析蓝藻垂直分布对底泥－水界面溶解氧、生物反硝化速率的影响规律，以及蓝藻浮聚功能调控因子对不同光-氮耦合条件的响应；进一步地，结合现场围隔试验，阐明浮聚蓝藻对底泥-水界面反硝化的影响机制及其反馈作用，为揭示"湖泊生态系统降氮潜力与蓝藻生消的内在联系机制"提供科学依据。

本项目针对“蓝藻生物量的时空动态变化”与“富营养化湖泊底泥-水界面反硝化过程”的相互作用关系，开展系列室内试验，解析蓝藻对底泥－水界面溶解氧条件、生物反硝化速率的影响规律，以及蓝藻浮聚功能调控因子对不同光-氮耦合条件的响应；进一步地，在淀山湖现场开展围隔试验，探索浮聚蓝藻对底泥-水界面反硝化的影响机制及其反馈作用。本研究基本证实了本项目申请阶段提出的假说即：“夏季浮聚蓝藻促进底泥-水界面出现厌氧条件，并提升界面可生物利用的碳源量，提高生物反硝化速率；水体总氮的降低产生正反馈作用，促使更多蓝藻沉降并停留在底泥-水界面，使得生物反硝化得以持续甚至加强”，但经过深入研究我们对上述假说有了更深入的认识，包括①沉降蓝藻驱动反硝化的内在机制：沉降蓝藻在暗光缺氧条件下能够持续存活，并向胞外释放有机物，所产生的藻源有机碳具有高C/N比和生物可利用性，蓝藻活细胞能够明显促进底泥-水界面反硝化，从而进一步降低水体氮素浓度；②光/氮耦合条件诱导蓝藻沉降的作用机制：当水柱中蓝藻处于持续高光/低氮耦合条件时，其浮力调控因子伪空胞、蛋白质、碳水化合物等都会发生明显变化，而碳水化合物的大量积累直接导致了藻细胞比重的显著增加，从而进一步诱导了蓝藻的大量沉降；③在研究中我们还发现了水柱中的蓝藻群体颗粒也具有反硝化潜力，并在围隔实验中初步证实了该现象，这为蓝藻水华与氮循环的关系研究提供了新的启示。