Sediment nitrogen contents controlled by microbial community in a eutrophic tributary in Three Gorges Reservoir, China  

三峽水庫富營養(yǎng)化支流沉積物氮含量受微生物群落控制的研究  

來源：Environmental Pollution, 314 (2022) 120312

《環(huán)境污染》第314卷 2022年 文章編號120312  

 

摘要內(nèi)容  

摘要指出，三峽水庫（TGR）支流香溪灣（XXB）沉積物中的氮污染問題嚴(yán)重，微生物介導(dǎo)的氮循環(huán)過程（如反硝化、厭氧氨氧化）可促進(jìn)氮的去除。研究通過表征沉積物-水界面的氮分布、微生物群落組成及潛在反硝化速率，揭示了溶解氧（DO）和硝酸鹽可用性是反硝化等過程的關(guān)鍵限制因子，增強水體擾動可提升沉積物氮去除能力。  

 

研究目的  

探索香溪灣沉積物中微生物群落對氮循環(huán)的控制機制，評估微生物介導(dǎo)的氮去除潛力及其限制因素，為緩解水庫內(nèi)源氮污染提供理論依據(jù)。  

 

研究思路  

空間分布分析：沿香溪灣上、中、下游及河口采集沉積物巖芯，測定孔隙水和沉積物的氮形態(tài)（TKN、TON、NH??、NO??）分布（圖2、圖3）。  

 

 

微生物群落解析：通過16S rRNA高通量測序，鑒定硝化菌、反硝化菌、厭氧氨氧化菌（anammox）和硝酸鹽/亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化菌（N-DAMO）等功能微生物（圖4、圖5、圖6）。  

 

 

 

過程速率測量：使用乙炔抑制法測定表層沉積物（0–2 cm）潛在反硝化速率和N?O凈產(chǎn)生速率（圖7）。  

 

環(huán)境因子關(guān)聯(lián)：結(jié)合溶解氧微剖面和氮含量數(shù)據(jù)，分析DO與硝酸鹽可用性對氮循環(huán)的調(diào)控作用。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義  

氮空間分布數(shù)據(jù)（圖2、圖3）  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：孔隙水和沉積物中NH??、NO??、TKN、TON的垂向分布。  

 

研究意義：揭示沉積物有機氮礦化釋放NH??、NO??在沉積界面耗竭的規(guī)律，證實下游湍流增強促進(jìn)氮礦化和釋放，為內(nèi)源污染機制提供證據(jù)。  

微生物群落數(shù)據(jù)（圖4、圖5、圖6）  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：硝化菌（如Nitrospira）、反硝化菌（如Exiguobacterium）、anammox菌（如Pirellula）、N-DAMO菌（如Methylomicrobium）的相對豐度。  

 

研究意義：明確微生物功能群與氮形態(tài)的顯著相關(guān)性（表1、表2）

 

 

例如反硝化菌豐度與NO??負(fù)相關(guān)、與NH??正相關(guān)，證明微生物驅(qū)動氮轉(zhuǎn)化過程。  

反硝化速率數(shù)據(jù)（圖7）  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：潛在反硝化速率（7.69–10.39 μmol N?O m?2 h?1）和N?O凈產(chǎn)生速率（-0.43至2.4 μmol N?O m?2 h?1）。  

 

研究意義：表明沉積物是N?O的匯（尤其上游），反硝化主導(dǎo)氮去除，且anammox等途徑可能進(jìn)一步貢獻(xiàn)脫氮潛力。  

溶解氧微剖面數(shù)據(jù)  

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：丹麥Unisense微電極測定的沉積物-水界面DO梯度（3 mm內(nèi)耗盡）。  

 

研究意義：高分辨率DO數(shù)據(jù)揭示氧化還原過渡區(qū)位置，解釋硝化作用受限（DO>3 mm）和反硝化/厭氧過程活躍（DO<3 mm）的分層機制，為"氧和硝酸鹽是氮去除關(guān)鍵限制因子"提供直接證據(jù)。  

 

結(jié)論  

沉積物有機氮降解顯著（埋藏中TON減少67%），下游湍流促進(jìn)NH??礦化釋放，導(dǎo)致內(nèi)源污染風(fēng)險。  

 

硝酸鹽-銨過渡區(qū)存在復(fù)雜微生物氮循環(huán)（反硝化、anammox、N-DAMO），其中DO和NO??可用性限制脫氮效率。  

 

增強水體擾動可提升DO和NO??向沉積物擴散，促進(jìn)微生物氮去除，強化水庫自凈能力。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的核心意義  

通過Unisense微電極系統(tǒng)測定的溶解氧微剖面顯示，沉積物-水界面存在毫米級氧化還原梯度（DO在3 mm內(nèi)耗盡）。這一數(shù)據(jù)：  

界定反應(yīng)熱點：明確硝化作用僅發(fā)生于表層有氧區(qū)（<3 mm），而反硝化/anammox集中于下層缺氧區(qū)，解釋NH??累積與NO??耗竭的空間耦合機制。  

 

量化限制因子：DO滲透深度直接制約硝化菌活性（圖4中硝化菌隨深度減少），導(dǎo)致NO??供應(yīng)不足，限制反硝化潛力。  

 

指導(dǎo)干預(yù)策略：證實通過增強水流擾動擴大DO滲透深度或直接注入富氧水，可拓寬硝化-反硝化耦合區(qū)，提升脫氮效率。