Algal Decomposition Accelerates Denitrification as Evidenced by the High-Resolution Distribution of Nitrogen Fractions in the Sediment-Water Interface of Eutrophic Lakes  

藻類分解加速反硝化作用：基于富營養化湖泊沉積物-水界面氮組分高分辨率分布的證據  

來源：Water 2024, 16, 341  

《水》2024年第16卷第341期  

 

摘要內容：  

研究通過原位薄膜梯度擴散技術（DGT）和高分辨率滲析技術（HR-Peeper）分析了中國太湖沉積物-水界面（SWI）氮組分（NH4+-N、NO3--N、NO2--N）的垂直分布，并結合環形水槽模擬實驗，揭示了藻類分解對氮循環的影響。結果表明：藻類分解釋放的NH4+-N通過硝化作用轉化為NO3--N和NO2--N，導致SWI處硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度顯著升高；藻類分解同時增加溶解有機質（DOM，以腐殖酸和類腐殖質為主），降低溶解氧（DO）滲透深度（減少7毫米）和SWI附近pH值，促進沉積物反硝化過程。藻類分解改變了氮的分布模式及沉積物作為氮“源”或“匯”的功能轉換，為富營養化湖泊氮遷移轉化機制提供了新證據。  

 

研究目的：  

明確藻類分解對富營養化湖泊沉積物-水界面（SWI）氮循環的影響，揭示藻類分解過程中氮組分的遷移轉化機制及其對反硝化作用的促進作用，為富營養化湖泊氮污染治理提供科學依據。  

 

研究思路：  

原位觀測：在太湖18個采樣點采集沉積物，使用DGT和HR-Peeper技術獲取SWI處NH4+-N、NO3--N的高分辨率垂直分布數據（圖2、3）。  

 

 

 

 

實驗室模擬：通過環形水槽模擬藻類分解過程，監測DO、pH、DOM熒光組分及氮通量變化（圖6）。  

 

 

機制解析：結合功能基因（AOB amoA、AOA amoA、nosZ）豐度（圖5）和DOM組分分析，闡明硝化-反硝化耦合過程。  

 

 

數據驗證：利用Fick定律計算氮擴散通量（圖4、6），驗證藻類分解對沉積物氮源匯轉換的影響。  

 

 

測量數據及研究意義（對應圖表）：  

溶解氧（DO）滲透深度與pH值：  

 

藻類分解導致DO滲透深度從10 mm降至3 mm，SWI處pH從9.11降至8.73。  

 

意義：揭示藻類分解誘導的缺氧和酸化環境是反硝化的關鍵驅動因素。

氮組分（NH4+-N、NO3--N）垂直分布（圖2、3）：  

 

NH4+-N在SWI處出現濃度峰值（最高109.71 mg m?2 d?1），NO3--N和NO2--N在沉積物-上覆水界面形成擴散梯度。  

 

意義：證實藻類分解釋放的NH4+-N通過硝化轉化為NO3--N和NO2--N，為反硝化提供底物。數據來源：圖2（NH4+-N）、圖3（NO3--N）。  

 

藻類分解增加腐殖酸（C1、C2）和類蛋白質組分（C4），C3（難降解腐殖質）持續積累。  

 

意義：DOM為反硝化提供碳源，同時影響沉積物氧化還原狀態。

 

功能基因豐度（圖5）：  

 

硝化基因（AOB amoA、AOA amoA）和反硝化基因（nosZ）在藻華頻發區域（如站點1、5、6、9）豐度顯著升高。  

 

意義：基因豐度與氮轉化速率正相關，支持藻類分解促進硝化-反硝化耦合。數據來源：圖5（基因豐度）。  

氮擴散通量（圖4、6）：  

 

藻類分解使沉積物從NH4+-N的“匯”轉為“源”，NO3--N和NO2--N的“源”轉為“匯”（通量方向反轉）。  

 

意義：量化藻類分解對氮循環的凈效應，指導湖泊管理策略。數據來源：圖4（野外通量）、圖6（模擬實驗通量）。  

 

結論：  

藻類分解通過釋放NH4+-N、增加DOM和降低DO滲透深度，顯著促進沉積物反硝化，提升氮去除效率。  

 

SWI處pH下降（8.73）和缺氧環境（DO滲透深度3 mm）是反硝化的關鍵條件，DOM（尤其是腐殖酸）為反硝化提供碳源。  

 

沉積物在藻類分解期間從氮“匯”轉為“源”（NH4+-N）和從“源”轉為“匯”（NO3--N、NO2--N），動態調控湖泊氮平衡。  

 

高分辨率技術（DGT、HR-Peeper）結合功能基因分析，為富營養化湖泊氮循環機制研究提供了新方法。  

 

丹麥Unisense電極測量的DO和pH數據研究意義：  

使用Unisense微電極（OX-100、pH-500）測量的DO和pH數據（圖S6、S7）揭示了以下關鍵機制：  

缺氧環境形成：藻類分解導致SWI處DO濃度從215.17 μmol L?1驟降至近零，滲透深度從10 mm減至3 mm，直接創造反硝化所需的缺氧條件。  

 

pH動態調控：SWI處pH從9.11降至8.73，酸性環境促進有機質礦化和反硝化菌活性，同時抑制硝化菌，間接影響氮轉化路徑。  

 

實驗驗證：實驗室模擬中DO和pH變化趨勢與野外數據一致（圖S6、S7），證實藻類分解對SWI氧化還原狀態的普適性影響。  

 

過程關聯：DO和pH的高分辨率剖面（2 mm分辨率）顯示，藻類分解初期（1-5天）變化最劇烈，與NH4+-N釋放高峰同步，為反硝化啟動提供時間窗口證據。  

 

該數據直接關聯藻類分解的物理化學響應與微生物過程，為富營養化湖泊氮循環模型構建提供了關鍵參數。