最近,派森诺生物和中国科学院南京地理与湖泊研究所合作,利用高通量测序等技术,对沉积物——水环境系统中,氮元素交换和河流悬浮颗粒物之间的关系进行了研究,成果顺利发表于SCI期刊《Environmental Pollution》(最新影响因子:5.099)。


背景介绍


在水生环境中,由于浮游生物残骸的堆积,过量的N通常集中在悬浮微粒物质(SPM)中;大部分的SPM都沉积在底部河床上,因此,成为N的内部来源;沉积物中氮的增加促进了有害藻类的生长并加剧藻类泛滥。因此,控制和减少内部的N负荷对控制湖泊的富营养化是至关重要的。


污染河流的SPM可能是影响疏浚结果的关键外部因素,然而,对SPM如何影响疏浚后沉积物——水界面上的N交换知之甚少。


研究目的


铵可以直接被有害藻类如蓝藻利用,且氨对某些大型水生脊椎动物是有毒的,因此是河流生态的主要关注对象。本研究的目的在于揭示疏浚后沉积物——水界面的N素交换和悬浮颗粒物的关系,旨在为改善类似领域的疏浚工程提供有价值的信息。


研究方法


测序技术:Illumina MiSeq高通量测序平台


测序模式:微生物组细菌16S rRNA基因


实验对象:巢湖严重污染区的沉积物


实验设计:将巢湖沉积物取回后,立即在25 cm深度处模拟疏浚过程,分为6组


U,未疏浚组,不添加SPM


U+DP,未疏浚组,添加灭菌的SPM


U+FP,未疏浚组,添加未灭菌的SPM


D,疏浚组,不添加SPM


D+DP,疏浚组,添加灭菌的SPM


D+FP,疏浚组,添加未灭菌的SPM


新鲜的SPM先60 oC干燥24 h,然后121oC灭菌30 min,以获得无菌的SPM。新鲜的SPM和无菌SPM按照月沉降速率分别与湖水混合,然后加入沉积物柱中。在0、90、180、270和360天,取表面沉积物用于后续分析。


实验结果

未疏浚组(U,U+DP,U+FP)沉积物的TN浓度相似且稳定,远高于疏浚组。SPM沉降到沉积物表面对未疏浚组TN的浓度影响不大,但明显增加疏浚后沉积物TN的浓度。然而,SPM的沉积对不稳定NH4+-N浓度无明显影响,D、D+DP、和D+FP组的浓度稍低于U,U+DP,U+FP组,但差异不明显。

初始新鲜SPM的加入显著降低了氧的产生/消耗速率(OPR)。D组的OPR在整个实验进程中都近似为0,D+DP稍高于D组。加入新鲜的SPM后,D+FP组的的氧生成持续增加,120到150d,氧消耗速率较高是由于夏天微生物的呼吸作用增加所致。先前已有研究表明疏浚后氧(或氧化还原环境)在N素交换中起着重要作用;因此,SPM对OPR和氧气渗透深度(OPD)的影响将对沉积物-水界面的N交换产生显著的潜在影响。

疏浚后,孔隙水NH4+-N浓度显著增加。然而,在初始疏浚0-120 d,沉积物孔隙水中NH4+-N浓度逐渐下降,显著(p<0.01)低于未疏浚组沉积物。沉积物-水界面上氧气浓度的增加以及沉积物NH4+-N的持续释放是造成这一现象的原因。之后(>120 d),NH4+-N浓度持续升高,但未疏浚组远高于疏浚沉积物,夏季和冬季(150-330 d)尤为明显。

NH4+-N扩散通量前30天相似,在60d之后,未疏浚沉积物的通量显著低于高于沉积物,尤其是90-270 d间,与此同时,低的OPRs(主要是耗氧)和OPD意味着增加的扩散通量与沉积物-水界面的高耗氧量有关。疏浚0-120 d,沉积物孔隙水中NH4+-N浓度的降低,促进了NH4+-N扩散通量的降低。此外,SPM的沉积对疏浚组NH4+-N扩散通量无显著影响。

由物种组成可知,初始疏浚(0 d),在门水平,Proteobacteria、Firmicutes和Nitrospirae的相对丰度高于未疏浚组;随着实验进程,Bacteroidetes和Planctomycetes的相对丰度增加,与未疏浚组(270 d)相似。但Firmicutes的相对丰度在90 d内急剧下降至未疏浚组的水平,而Proteobacteria一直维持着较高的丰度。值得注意的是,在疏浚沉积物中,Nitrospirae的相对丰度呈现出先降低(0-90 d)后增加(180-270 d)再降低至第360天最低水平的趋势。

疏浚后不久,NH4+-N浓度和通量比未疏浚沉积物显著降低。此外,不论是否有污染的SPM沉积,疏浚沉积物NH4+-N浓度和通量相似。通过对SPM沉积疏浚后,可以基于以下几个方面考虑:


首先,疏浚沉积物中的可溶性NH4+-N浓度不受SPM沉积的影响。


其次,SWI的氧化还原能力与N交换密切相关。此外,NH4+-N扩散通量和OPD呈显著负相关(p<0.001),进一步证实了氧化还原能力与N交换的关系。


再次,Nitrospirae相对丰度变化较大,与孔隙水中NH4+-N浓度和扩散通量呈现一致的趋势,且最初90 d极易受SPM的影响。


总结


通过将SPM加入到疏浚组中,研究了SPM对N交换的影响。疏浚后的沉积物孔隙水NH4+-N浓度和流动速率都显著低于未疏浚沉积物,且氧气的产生率和氧气的渗透深度均高于未疏浚沉积物。疏浚沉积物的硝化螺菌属(Nitrospira)的丰度增加与NH4+-N浓度和流动速率降低结果一致。因此,在有氧条件下,疏浚后沉积物-水界面氧气的生产和消耗速率以及Nitrospira相对丰度的增加与低氮交换率有关。因此,通过疏浚河道降低河道口区域内的氮负荷是可行的,但要达到长期维持内部低N负荷的目标还应考虑河流SPM的影响。