Nitrogen removal enhanced by benthic bioturbation coupled with biofilm formation: A new strategy to alleviate freshwater eutrophication  

底棲生物擾動耦合生物膜形成增強氮去除：緩解淡水富營養化的新策略  

來源：Journal of Environmental Management 292 (2021) 112814

《環境管理雜志》第292卷（2021年）文章編號112814

 

摘要內容：  

摘要指出，沉積物中的氮污染是淡水富營養化難以控制的關鍵原因。傳統物理化學技術（如疏浚和覆蓋）易破壞水生棲息地。本研究結合底棲生物（搖蚊幼蟲）的生物擾動功能和生物膜技術，驗證其對沉積物及上覆水中氮的協同去除效果。結果顯示，耦合處理組（SCB）的總氮去除量顯著高于單一功能組（僅生物擾動或僅生物膜），其平均效率是對照組（無搖蚊和生物膜）的3.19倍。搖蚊擾動促進沉積物氮釋放至上覆水，而生物膜加速了氮的轉化和去除，同時增加了沉積物和生物膜中反硝化及厭氧氨氧化功能菌豐度。該策略為減少淡水生態系統沉積物氮負荷提供了可行方案。  

 

研究目的：  

驗證底棲生物擾動與生物膜技術的耦合能否協同增強淡水系統沉積物和上覆水的氮去除效率，并探究其微生物機制。  

 

研究思路：  

1. 設計四組微宇宙實驗：對照組（S）、搖蚊擾動組（SC）、生物膜組（SB）、耦合組（SCB）。  

2. 通過35天實驗，監測上覆水中氮形態動態變化（TN、NH??、NO??、NO??）及沉積物氮含量。  

3. 分析沉積物溶解氧剖面、溶解性有機碳（DOC）及微生物群落結構（16S rRNA基因測序）。  

4. 量化反硝化（nirS基因）和厭氧氨氧化（hzsB基因）功能菌豐度。  

5. 結合氮質量平衡計算和統計學分析，評估耦合技術的協同效應。  

 

測量數據及研究意義：  

1. 上覆水氮形態濃度（圖2）  

   ? 意義：動態反映生物擾動對氮釋放的促進（如SC組初期TN升高）及生物膜對氮轉化的加速（如SCB組后期TN最低）。  

 

2. 沉積物總氮濃度（圖3b）  

   ? 意義：直接體現耦合技術對沉積物氮負荷的削減效果（SCB組沉積物TN顯著低于對照組）。  

 

3. 沉積物-水界面溶解氧（DO）剖面（圖4a）  

   ? 意義：揭示搖蚊擾動擴大好氧-厭氧界面的機制（SC/SCB組DO滲透深度2.9 mm > SB/S組2.1 mm）。  

 

4. 微生物功能基因豐度（圖6）  

   ? 意義：解釋氮去除增強的微生物驅動機制（SCB組沉積物+生物膜的nirS+hzsB基因總量顯著高于其他組）。  

 

5. 溶解性有機碳（DOC）濃度（圖4b）  

   ? 意義：闡明碳源對反硝化的影響（SC組上覆水DOC最高，為反硝化提供基質）。  

 

6. 細菌群落結構與多樣性（圖5）  

   ? 意義：說明生物膜載體增加微生物空間異質性（生物膜中特有OTUs數量高于沉積物）。  

 

Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用丹麥Unisense微電極（OX-25型）以100μm垂直分辨率測量沉積物溶解氧（DO）剖面（圖4a）。其研究意義在于：  

1. 量化生物擾動對氧化還原界面的影響：搖蚊幼蟲活動顯著增加沉積物DO滲透深度（SC/SCB組2.9 mm vs. SB/S組2.1 mm），證明生物擾動通過擴大好氧-厭氧過渡區，為反硝化和厭氧氨氧化菌創造更多微生境。  

2. 揭示氮轉化機制的物理基礎：高分辨率DO數據直接關聯生物擾動行為與微生物氮去除效率的因果關系，為"生物擾動促進氮循環"提供原位證據。  

 

結論：  

1. 協同增效：搖蚊擾動與生物膜耦合（SCB）的TN去除效率（11.7%）顯著高于單一處理（SC組為對照的2.85倍，SB組為1.92倍），達對照組的3.19倍。  

2. 作用機制：搖蚊擾動促進沉積物氮釋放并提供微生物碳源，生物膜加速氮轉化并富集功能菌（反硝化菌nirS基因和厭氧氨氧化菌hzsB基因豐度增加）。  

3. 應用價值：該策略通過保護底棲生物棲息地（如搖蚊）和增加生物膜載體以維持生境異質性，可恢復淡水生態系統的自凈能力，緩解富營養化。