2018-01-31
最近，派森諾生物和中國(guo)科學院(yuan)南京地理(li)與湖泊研究所合作，利用高通量測(ce)序等技術，對沉積(ji)物——水環境系(xi)統中，氮元素交換和河流懸浮顆粒(li)物之間的(de)關系(xi)進行了研究，成果(guo)順利發(fa)表于SCI期刊《Environmental Pollution》（最新影響因子(zi)：5.099）。
背(bei)景介紹
在(zai)水生(sheng)環境中，由于(yu)浮游生(sheng)物殘骸(hai)的(de)(de)堆積，過量(liang)的(de)(de)N通常集中在(zai)懸浮微粒物質（SPM）中；大(da)部分的(de)(de)SPM都沉積在(zai)底(di)部河床上(shang)，因(yin)此，成(cheng)為N的(de)(de)內(nei)部來源；沉積物中氮的(de)(de)增加促(cu)進了有(you)害藻(zao)類的(de)(de)生(sheng)長并加劇藻(zao)類泛濫。因(yin)此，控(kong)制和減少內(nei)部的(de)(de)N負荷(he)對控(kong)制湖泊的(de)(de)富營養化是至關重要(yao)的(de)(de)。
污染河(he)流的(de)(de)SPM可(ke)能是影響疏(shu)浚(jun)結果的(de)(de)關鍵外部因素，然(ran)而，對SPM如何影響疏(shu)浚(jun)后沉積物——水界面上(shang)的(de)(de)N交換知之甚少。
研究(jiu)目的
銨可以(yi)直接被有害(hai)藻類如藍藻利用，且氨對(dui)某(mou)些(xie)大型水生(sheng)脊(ji)椎動(dong)物(wu)是有毒的(de)(de)，因(yin)此是河流(liu)生(sheng)態的(de)(de)主(zhu)要關注(zhu)對(dui)象。本(ben)研究的(de)(de)目的(de)(de)在于揭示疏浚后沉積物(wu)——水界面(mian)的(de)(de)N素交換(huan)和懸浮顆粒物(wu)的(de)(de)關系，旨在為(wei)改(gai)善類似領域的(de)(de)疏浚工程提供有價值的(de)(de)信息。
研(yan)究方法(fa)
測(ce)序(xu)技術：Illumina MiSeq高(gao)通量測(ce)序(xu)平臺
測序模式：微(wei)生(sheng)物組細(xi)菌16S rRNA基因
實驗對(dui)象(xiang)：巢湖嚴重污染區的(de)沉積(ji)物
實驗設(she)計：將巢湖(hu)沉(chen)積物取回后(hou)，立即在25 cm深度處模擬疏浚過程(cheng)，分為6組
(1) U，未(wei)疏(shu)浚組(zu)，不添加SPM
(2) U+DP，未疏浚組，添加滅菌的SPM
(3) U+FP，未疏浚組，添加未滅(mie)菌(jun)的SPM
(4) D，疏浚組，不添加SPM
(5) D+DP，疏浚組(zu)，添(tian)加滅(mie)菌的SPM
(6) D+FP，疏浚(jun)組，添加未滅(mie)菌的SPM
實(shi)驗處(chu)理
新鮮的SPM先60 oC干燥24 h，然后121oC滅菌30 min，以獲得無菌的SPM。新鮮的SPM和無菌SPM按照月沉降速率分別與湖水混合，然后加入沉積物柱中。在0、90、180、270和360天，取表面沉積物用于后續分析。
實驗結果
未疏浚組（U，U+DP，U+FP）沉積物的TN濃度相似且穩定，遠高于疏浚組。SPM沉降到沉積物表面對未疏浚組TN的濃度影響不大，但明顯增加疏浚后沉積物TN的濃度。然而，SPM的沉積對不穩定NH4+-N濃度無明顯影響，D、D+DP、和D+FP組的濃度稍低于U，U+DP，U+FP組，但差異不明顯。
初始新(xin)鮮SPM的(de)(de)(de)(de)(de)加(jia)入(ru)顯(xian)(xian)著(zhu)降低了氧的(de)(de)(de)(de)(de)產生(sheng)/消耗速(su)率(lv)（OPR）。D組的(de)(de)(de)(de)(de)OPR在(zai)整個實(shi)驗進(jin)程中都(dou)近似為0，D+DP稍高(gao)(gao)于D組。加(jia)入(ru)新(xin)鮮的(de)(de)(de)(de)(de)SPM后(hou)，D+FP組的(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)氧生(sheng)成持(chi)續增(zeng)加(jia)，120到150d，氧消耗速(su)率(lv)較高(gao)(gao)是由于夏天(tian)微(wei)(wei)生(sheng)物的(de)(de)(de)(de)(de)呼吸作用增(zeng)加(jia)所致。先前已有研究(jiu)表明疏浚后(hou)氧(或氧化還原(yuan)環境(jing))在(zai)N素交換中起著(zhu)重要作用；因此，SPM對OPR和(he)氧氣(qi)滲透深(shen)度(du)（OPD）的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響將對沉(chen)積(ji)物-水界面的(de)(de)(de)(de)(de)N交換產生(sheng)顯(xian)(xian)著(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)潛在(zai)影(ying)響。
疏浚后，孔隙水NH4+-N濃度顯著增加。然而，在初始疏浚0-120 d，沉積物孔隙水中NH4+-N濃度逐漸下降，顯著(p < 0.01)低于未疏浚組沉積物。沉積物-水界面上氧氣濃度的增加以及沉積物NH4+-N的持續釋放是造成這一現象的原因。之后（>120 d），NH4+-N濃度持續升高，但未疏浚組遠高于疏浚沉積物，夏季和冬季（150-330 d）尤為明顯。
NH4+-N擴(kuo)散(san)通量(liang)前30天相似，在60d之后，未疏浚沉積物的通量顯著低于高于沉積物，尤其是90-270 d間，與此同時，低的OPRs（主要是耗氧）和OPD意味著增加的擴散通量與沉積物-水界面的高耗氧量有關。疏浚0-120 d，沉積物孔隙水中NH4+-N濃度的降低，促進了NH4+-N擴散通量的降低。此外，SPM的沉積對疏浚組NH4+-N擴散通量無顯著影響。
由物種組成可知，初始疏浚（0 d），在門水平，Proteobacteria、Firmicutes和Nitrospirae的相對豐度高于未疏浚組；隨著實驗進程，Bacteroidetes和Planctomycetes的相對豐度增加，與未疏浚組（270 d）相似。但Firmicutes的相對豐度在90 d內急劇下降至未疏浚組的水平，而Proteobacteria一直維持著較高的豐度。值得注意的是，在疏浚沉積物中，Nitrospirae的相對豐度呈現出先降低（0-90 d）后增加（180-270 d）再降低至第360天最低水平的趨勢。
疏浚后不久，NH4+-N濃度和通量比未疏浚沉積物顯著降低。此外，不論是否有污染的SPM沉積，疏浚沉積物NH4+-N濃度和通量相似。通過對SPM沉積疏浚后，可以基于以下幾個方面考慮：
首先，疏浚沉積物中的可溶性NH4+-N濃度不受SPM沉積的影響。
其次，SWI的氧化還原能力與N交換密切相關。此外，NH4+-N擴散通量和OPD呈顯著負相關（p<0.001），進一步證實了氧化還原能力與N交換的關系。
再次，Nitrospirae相對豐度變化較大，與孔隙水中NH4+-N濃度和擴散通量呈現一致的趨勢，且最初90 d極易受SPM的影響。
總結
通過將SPM加入到疏浚組中，研究了SPM對N交換的影響。疏浚后的沉積物孔隙水NH4+-N濃度和流動速率都顯著低于未疏浚沉積物，且氧氣的產生率和氧氣的滲透深度均高于未疏浚沉積物。疏浚沉積物的硝化螺菌屬（Nitrospira）的豐度增加與NH4+-N濃度和流動速率降低結果一致。因此，在有氧條件下，疏浚后沉積物-水界面氧氣的生產和消耗速率以及Nitrospira相對豐度的增加與低氮交換率有關。因此，通過疏浚河道降低河道口區域內的氮負荷是可行的，但要達到長期維持內部低N負荷的目標還應考慮河流SPM的影響。
