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(yǎng)化湖泊沉積物-水界面氮組分高分辨率分布的證據(jù)  

來源：Water 2024, 16, 341  

《水》2024年第16卷第341期  

 

摘要內(nèi)容：  

研究通過原位薄膜梯度擴(kuò)散技術(shù)（DGT）和高分辨率滲析技術(shù)（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(jié)合環(huán)形水槽模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了藻類分解對氮循環(huán)的影響。結(jié)果表明：藻類分解釋放的NH4+-N通過硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N和NO2--N，導(dǎo)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(jī)質(zhì)（DOM，以腐殖酸和類腐殖質(zhì)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(jìn)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(zhuǎn)換，為富營養(yǎng)化湖泊氮遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了新證據(jù)。  

 

研究目的：  

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

 

研究思路：  

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

 

 

 

 

實(shí)驗(yàn)室模擬：通過環(huán)形水槽模擬藻類分解過程，監(jiān)測DO、pH、DOM熒光組分及氮通量變化（圖6）。  

 

 

機(jī)制解析：結(jié)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(shù)據(jù)驗(yàn)證：利用Fick定律計(jì)算氮擴(kuò)散通量（圖4、6），驗(yàn)證藻類分解對沉積物氮源匯轉(zhuǎn)換的影響。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（對應(yīng)圖表）：  

溶解氧（DO）滲透深度與pH值：  

 

藻類分解導(dǎo)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(dǎo)的缺氧和酸化環(huán)境是反硝化的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

氮組分（NH4+-N、NO3--N）垂直分布（圖2、3）：  

 

NH4+-N在SWI處出現(xiàn)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(kuò)散梯度。  

 

意義：證實(shí)藻類分解釋放的NH4+-N通過硝化轉(zhuǎn)化為NO3--N和NO2--N，為反硝化提供底物。數(shù)據(jù)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(zhì)組分（C4），C3（難降解腐殖質(zhì)）持續(xù)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(tài)。

 

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(fā)區(qū)域（如站點(diǎn)1、5、6、9）豐度顯著升高。  

 

意義：基因豐度與氮轉(zhuǎn)化速率正相關(guān)，支持藻類分解促進(jìn)硝化-反硝化耦合。數(shù)據(jù)來源：圖5（基因豐度）。  

氮擴(kuò)散通量（圖4、6）：  

 

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

 

意義：量化藻類分解對氮循環(huán)的凈效應(yīng)，指導(dǎo)湖泊管理策略。數(shù)據(jù)來源：圖4（野外通量）、圖6（模擬實(shí)驗(yàn)通量）。  

 

結(jié)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(jìn)沉積物反硝化，提升氮去除效率。  

 

SWI處pH下降（8.73）和缺氧環(huán)境（DO滲透深度3 mm）是反硝化的關(guān)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(zhuǎn)為“源”（NH4+-N）和從“源”轉(zhuǎn)為“匯”（NO3--N、NO2--N），動態(tài)調(diào)控湖泊氮平衡。  

 

高分辨率技術(shù)（DGT、HR-Peeper）結(jié)合功能基因分析，為富營養(yǎng)化湖泊氮循環(huán)機(jī)制研究提供了新方法。  

 

丹麥Unisense電極測量的DO和pH數(shù)據(jù)研究意義：  

使用Unisense微電極（OX-100、pH-500）測量的DO和pH數(shù)據(jù)（圖S6、S7）揭示了以下關(guān)鍵機(jī)制：  

缺氧環(huán)境形成：藻類分解導(dǎo)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(chuàng)造反硝化所需的缺氧條件。  

 

pH動態(tài)調(diào)控：SWI處pH從9.11降至8.73，酸性環(huán)境促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化和反硝化菌活性，同時抑制硝化菌，間接影響氮轉(zhuǎn)化路徑。  

 

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：實(shí)驗(yàn)室模擬中DO和pH變化趨勢與野外數(shù)據(jù)一致（圖S6、S7），證實(shí)藻類分解對SWI氧化還原狀態(tài)的普適性影響。  

 

過程關(guān)聯(lián)：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(jù)。  

 

該數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)藻類分解的物理化學(xué)響應(yīng)與微生物過程，為富營養(yǎng)化湖泊氮循環(huán)模型構(gòu)建提供了關(guān)鍵參數(shù)。