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

藻类分解加速反硝化作用：基于富营养化湖泊沉积物-水界面氮组分高分辨率分布的证据  

来源：Water 2024, 16, 341  

《水》2024年第16卷第341期  

 

摘要内容：  

研究通过原位薄膜梯度扩散技术（DGT）和高分辨率渗析技术（HR-Peeper）分析了中国太湖沉积物-水界面（SWI）氮组分（NH4+-N、NO3--N、NO2--N）的垂直分布，并结合环形水槽模拟实验，揭示了藻类分解对氮循环的影响。结果表明：藻类分解释放的NH4+-N通过硝化作用转化为NO3--N和NO2--N，导致SWI处硝酸盐和亚硝酸盐浓度显著升高；藻类分解同时增加溶解有机质（DOM，以腐殖酸和类腐殖质为主），降低溶解氧（DO）渗透深度（减少7毫米）和SWI附近pH值，促进沉积物反硝化过程。藻类分解改变了氮的分布模式及沉积物作为氮“源”或“汇”的功能转换，为富营养化湖泊氮迁移转化机制提供了新证据。  

 

研究目的：  

明确藻类分解对富营养化湖泊沉积物-水界面（SWI）氮循环的影响，揭示藻类分解过程中氮组分的迁移转化机制及其对反硝化作用的促进作用，为富营养化湖泊氮污染治理提供科学依据。  

 

研究思路：  

原位观测：在太湖18个采样点采集沉积物，使用DGT和HR-Peeper技术获取SWI处NH4+-N、NO3--N的高分辨率垂直分布数据（图2、3）。  

 

 

 

 

实验室模拟：通过环形水槽模拟藻类分解过程，监测DO、pH、DOM荧光组分及氮通量变化（图6）。  

 

 

机制解析：结合功能基因（AOB amoA、AOA amoA、nosZ）丰度（图5）和DOM组分分析，阐明硝化-反硝化耦合过程。  

 

 

数据验证：利用Fick定律计算氮扩散通量（图4、6），验证藻类分解对沉积物氮源汇转换的影响。  

 

 

测量数据及研究意义（对应图表）：  

溶解氧（DO）渗透深度与pH值：  

 

藻类分解导致DO渗透深度从10 mm降至3 mm，SWI处pH从9.11降至8.73。  

 

意义：揭示藻类分解诱导的缺氧和酸化环境是反硝化的关键驱动因素。

氮组分（NH4+-N、NO3--N）垂直分布（图2、3）：  

 

NH4+-N在SWI处出现浓度峰值（最高109.71 mg m⁻² d⁻¹），NO3--N和NO2--N在沉积物-上覆水界面形成扩散梯度。  

 

意义：证实藻类分解释放的NH4+-N通过硝化转化为NO3--N和NO2--N，为反硝化提供底物。数据来源：图2（NH4+-N）、图3（NO3--N）。  

 

藻类分解增加腐殖酸（C1、C2）和类蛋白质组分（C4），C3（难降解腐殖质）持续积累。  

 

意义：DOM为反硝化提供碳源，同时影响沉积物氧化还原状态。

 

功能基因丰度（图5）：  

 

硝化基因（AOB amoA、AOA amoA）和反硝化基因（nosZ）在藻华频发区域（如站点1、5、6、9）丰度显著升高。  

 

意义：基因丰度与氮转化速率正相关，支持藻类分解促进硝化-反硝化耦合。数据来源：图5（基因丰度）。  

氮扩散通量（图4、6）：  

 

藻类分解使沉积物从NH4+-N的“汇”转为“源”，NO3--N和NO2--N的“源”转为“汇”（通量方向反转）。  

 

意义：量化藻类分解对氮循环的净效应，指导湖泊管理策略。数据来源：图4（野外通量）、图6（模拟实验通量）。  

 

结论：  

藻类分解通过释放NH4+-N、增加DOM和降低DO渗透深度，显著促进沉积物反硝化，提升氮去除效率。  

 

SWI处pH下降（8.73）和缺氧环境（DO渗透深度3 mm）是反硝化的关键条件，DOM（尤其是腐殖酸）为反硝化提供碳源。  

 

沉积物在藻类分解期间从氮“汇”转为“源”（NH4+-N）和从“源”转为“汇”（NO3--N、NO2--N），动态调控湖泊氮平衡。  

 

高分辨率技术（DGT、HR-Peeper）结合功能基因分析，为富营养化湖泊氮循环机制研究提供了新方法。  

 

丹麦Unisense电极测量的DO和pH数据研究意义：  

使用Unisense微电极（OX-100、pH-500）测量的DO和pH数据（图S6、S7）揭示了以下关键机制：  

缺氧环境形成：藻类分解导致SWI处DO浓度从215.17 μmol L⁻¹骤降至近零，渗透深度从10 mm减至3 mm，直接创造反硝化所需的缺氧条件。  

 

pH动态调控：SWI处pH从9.11降至8.73，酸性环境促进有机质矿化和反硝化菌活性，同时抑制硝化菌，间接影响氮转化路径。  

 

实验验证：实验室模拟中DO和pH变化趋势与野外数据一致（图S6、S7），证实藻类分解对SWI氧化还原状态的普适性影响。  

 

过程关联：DO和pH的高分辨率剖面（2 mm分辨率）显示，藻类分解初期（1-5天）变化最剧烈，与NH4+-N释放高峰同步，为反硝化启动提供时间窗口证据。  

 

该数据直接关联藻类分解的物理化学响应与微生物过程，为富营养化湖泊氮循环模型构建提供了关键参数。