2018-01-31
最近，派森諾(nuo)生物(wu)(wu)和中國科學院南京地理與湖泊研究(jiu)所合作，利用高通量測序(xu)等(deng)技術(shu)，對沉(chen)積物(wu)(wu)——水環境系統(tong)中，氮元素交換和河流懸浮顆(ke)粒物(wu)(wu)之間(jian)的關系進行了研究(jiu)，成果順利發(fa)表(biao)于SCI期刊《Environmental Pollution》（影響因子：5.099）。
背景介紹
在(zai)水生(sheng)環境中(zhong)，由(you)于浮游生(sheng)物(wu)(wu)殘骸的(de)堆積(ji)(ji)，過量的(de)N通常(chang)集中(zhong)在(zai)懸(xuan)浮微粒物(wu)(wu)質（SPM）中(zhong)；大部(bu)分的(de)SPM都沉(chen)積(ji)(ji)在(zai)底(di)部(bu)河床上，因(yin)此(ci)，成為N的(de)內(nei)部(bu)來源；沉(chen)積(ji)(ji)物(wu)(wu)中(zhong)氮(dan)的(de)增(zeng)加促進了有害藻類的(de)生(sheng)長并加劇(ju)藻類泛濫。因(yin)此(ci)，控(kong)制和(he)減(jian)少內(nei)部(bu)的(de)N負荷對控(kong)制湖(hu)泊的(de)富營養化是至關重要的(de)。
污染(ran)河流的SPM可能是影(ying)響疏浚結果的關鍵外部因素(su)，然而，對SPM如(ru)何影(ying)響疏浚后沉(chen)積(ji)物(wu)——水界面(mian)上的N交換知(zhi)之甚少(shao)。
研究目的
銨可以直接被有害藻類(lei)如藍藻利用，且氨對某些大型水生(sheng)脊椎動(dong)物(wu)是有毒的(de)，因此是河流生(sheng)態(tai)的(de)主要關注對象。本研究(jiu)的(de)目(mu)的(de)在于揭(jie)示疏浚后沉(chen)積(ji)物(wu)——水界面的(de)N素交換和懸浮(fu)顆(ke)粒物(wu)的(de)關系，旨在為(wei)改善類(lei)似領(ling)域的(de)疏浚工程提供有價值的(de)信息。
研究方法
測序技(ji)術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式(shi)：微生物組細菌16S rRNA基因
實驗對象：巢湖嚴(yan)重污染(ran)區(qu)的(de)沉積物
實驗設(she)計：將(jiang)巢湖沉積物取回(hui)后(hou)，立即在25 cm深度處模擬(ni)疏(shu)浚過程，分(fen)為6組
(1) U，未疏浚組，不添加SPM
(2) U+DP，未疏浚組，添(tian)加(jia)滅菌的(de)SPM
(3) U+FP，未疏(shu)浚組，添加未滅菌的SPM
(4) D，疏浚組，不添加(jia)SPM
(5) D+DP，疏浚組，添加滅菌的SPM
(6) D+FP，疏浚組，添(tian)加未滅菌的SPM
實驗處理
新(xin)鮮(xian)的(de)SPM先60 oC干(gan)燥24 h，然后121oC滅菌30 min，以獲得(de)無菌的(de)SPM。新(xin)鮮(xian)的(de)SPM和無菌SPM按照月(yue)沉(chen)降速率分別與湖水(shui)混合，然后加入(ru)沉(chen)積(ji)物(wu)(wu)柱中。在0、90、180、270和360天，取表面沉(chen)積(ji)物(wu)(wu)用于后續分析。
實驗結果
未疏浚(jun)(jun)組（U，U+DP，U+FP）沉(chen)(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)的TN濃(nong)(nong)度相似(si)且穩定，遠(yuan)高于(yu)(yu)疏浚(jun)(jun)組。SPM沉(chen)(chen)(chen)降到沉(chen)(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)表面對未疏浚(jun)(jun)組TN的濃(nong)(nong)度影響(xiang)不大，但(dan)明(ming)(ming)(ming)顯增加疏浚(jun)(jun)后(hou)沉(chen)(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)TN的濃(nong)(nong)度。然而(er)，SPM的沉(chen)(chen)(chen)積(ji)對不穩定NH4+-N濃(nong)(nong)度無明(ming)(ming)(ming)顯影響(xiang)，D、D+DP、和(he)D+FP組的濃(nong)(nong)度稍(shao)低于(yu)(yu)U，U+DP，U+FP組，但(dan)差(cha)異不明(ming)(ming)(ming)顯。
初始新鮮(xian)SPM的(de)(de)(de)(de)加入(ru)顯(xian)著(zhu)降低了氧(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)產生(sheng)(sheng)/消耗速率（OPR）。D組的(de)(de)(de)(de)OPR在整個實(shi)驗進(jin)程中(zhong)都近似為0，D+DP稍高于(yu)D組。加入(ru)新鮮(xian)的(de)(de)(de)(de)SPM后(hou)，D+FP組的(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)氧(yang)(yang)生(sheng)(sheng)成持續增(zeng)加，120到150d，氧(yang)(yang)消耗速率較高是由于(yu)夏天微生(sheng)(sheng)物的(de)(de)(de)(de)呼吸作用增(zeng)加所致。先前已(yi)有研(yan)究表明疏浚(jun)后(hou)氧(yang)(yang)(或氧(yang)(yang)化還原環(huan)境)在N素交換(huan)中(zhong)起著(zhu)重要作用；因此，SPM對OPR和氧(yang)(yang)氣滲(shen)透深(shen)度(du)（OPD）的(de)(de)(de)(de)影響將對沉積物-水界(jie)面的(de)(de)(de)(de)N交換(huan)產生(sheng)(sheng)顯(xian)著(zhu)的(de)(de)(de)(de)潛(qian)在影響。
疏(shu)(shu)浚(jun)(jun)后，孔(kong)隙水(shui)NH4+-N濃(nong)度(du)顯(xian)(xian)著(zhu)增加。然而(er)，在初(chu)始疏(shu)(shu)浚(jun)(jun)0-120 d，沉(chen)(chen)積物(wu)(wu)(wu)孔(kong)隙水(shui)中NH4+-N濃(nong)度(du)逐漸下降，顯(xian)(xian)著(zhu)(p <; 0.01)低于(yu)未(wei)疏(shu)(shu)浚(jun)(jun)組沉(chen)(chen)積物(wu)(wu)(wu)。沉(chen)(chen)積物(wu)(wu)(wu)-水(shui)界(jie)面上氧氣(qi)濃(nong)度(du)的增加以及(ji)沉(chen)(chen)積物(wu)(wu)(wu)NH4+-N的持續(xu)(xu)釋放是(shi)造(zao)成(cheng)這(zhe)一現象的原因。之后（>120 d），NH4+-N濃(nong)度(du)持續(xu)(xu)升高(gao)，但未(wei)疏(shu)(shu)浚(jun)(jun)組遠高(gao)于(yu)疏(shu)(shu)浚(jun)(jun)沉(chen)(chen)積物(wu)(wu)(wu)，夏(xia)季和冬季（150-330 d）尤(you)為明顯(xian)(xian)。
NH4+-N擴(kuo)散通量(liang)前30天(tian)相似，在60d之(zhi)后，未疏(shu)浚(jun)沉(chen)積(ji)(ji)(ji)物的(de)通量(liang)顯著低(di)于高于沉(chen)積(ji)(ji)(ji)物，尤(you)其是(shi)90-270 d間，與此(ci)同(tong)時，低(di)的(de)OPRs（主要是(shi)耗氧(yang)）和OPD意味著增加的(de)擴(kuo)散通量(liang)與沉(chen)積(ji)(ji)(ji)物-水界(jie)面的(de)高耗氧(yang)量(liang)有(you)關。疏(shu)浚(jun)0-120 d，沉(chen)積(ji)(ji)(ji)物孔隙水中NH4+-N濃(nong)度的(de)降低(di)，促進了NH4+-N擴(kuo)散通量(liang)的(de)降低(di)。此(ci)外，SPM的(de)沉(chen)積(ji)(ji)(ji)對疏(shu)浚(jun)組(zu)NH4+-N擴(kuo)散通量(liang)無顯著影(ying)響。
由(you)物種組成可知，初始疏(shu)浚(jun)(jun)（0 d），在(zai)門水(shui)平(ping)(ping)，Proteobacteria、Firmicutes和Nitrospirae的(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)豐(feng)(feng)度(du)(du)高于未(wei)疏(shu)浚(jun)(jun)組；隨著(zhu)實(shi)驗(yan)進程，Bacteroidetes和Planctomycetes的(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)豐(feng)(feng)度(du)(du)增加，與未(wei)疏(shu)浚(jun)(jun)組（270 d）相(xiang)(xiang)似。但Firmicutes的(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)豐(feng)(feng)度(du)(du)在(zai)90 d內急劇下降(jiang)至(zhi)(zhi)未(wei)疏(shu)浚(jun)(jun)組的(de)水(shui)平(ping)(ping)，而Proteobacteria一直維持著(zhu)較(jiao)高的(de)豐(feng)(feng)度(du)(du)。值得注意的(de)是，在(zai)疏(shu)浚(jun)(jun)沉(chen)積物中，Nitrospirae的(de)相(xiang)(xiang)對(dui)(dui)豐(feng)(feng)度(du)(du)呈(cheng)現出先降(jiang)低（0-90 d）后(hou)增加（180-270 d）再降(jiang)低至(zhi)(zhi)第360天水(shui)平(ping)(ping)的(de)趨勢。
疏浚(jun)(jun)后不久，NH4+-N濃度和通量比未疏浚(jun)(jun)沉積(ji)物顯著降低。此外，不論是否有污(wu)染的SPM沉積(ji)，疏浚(jun)(jun)沉積(ji)物NH4+-N濃度和通量相似。通過對SPM沉積(ji)疏浚(jun)(jun)后，可以基于以下幾(ji)個方(fang)面考慮：
首先(xian)，疏浚沉(chen)(chen)積物中的可溶性NH4+-N濃(nong)度不受(shou)SPM沉(chen)(chen)積的影響。
其次，SWI的氧(yang)化(hua)還(huan)原能(neng)力(li)與N交換(huan)(huan)密切相關。此外，NH4+-N擴散(san)通量和OPD呈顯(xian)著(zhu)負相關（p<0.001），進一步證實了氧(yang)化(hua)還(huan)原能(neng)力(li)與N交換(huan)(huan)的關系。
再次，Nitrospirae相對豐度變化較大(da)，與孔隙(xi)水中NH4+-N濃度和擴(kuo)散通量呈現一致的(de)趨勢，且90 d易受SPM的(de)影響。
總結
通過將SPM加入到疏浚(jun)組(zu)中，研究了SPM對N交(jiao)換的(de)(de)影響。疏浚(jun)后(hou)的(de)(de)沉(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)孔(kong)隙水(shui)NH4+-N濃度和流動速(su)率(lv)都顯著低(di)(di)于(yu)未疏浚(jun)沉(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)，且氧氣的(de)(de)產(chan)生率(lv)和氧氣的(de)(de)滲(shen)透(tou)深度均高于(yu)未疏浚(jun)沉(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)。疏浚(jun)沉(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)的(de)(de)硝化(hua)螺菌屬（Nitrospira）的(de)(de)豐度增加與NH4+-N濃度和流動速(su)率(lv)降(jiang)低(di)(di)結果一致。因(yin)此，在有氧條(tiao)件下，疏浚(jun)后(hou)沉(chen)(chen)積(ji)物(wu)(wu)-水(shui)界面氧氣的(de)(de)生產(chan)和消耗速(su)率(lv)以及Nitrospira相對豐度的(de)(de)增加與低(di)(di)氮(dan)交(jiao)換率(lv)有關。因(yin)此，通過疏浚(jun)河道降(jiang)低(di)(di)河道口(kou)區域內(nei)的(de)(de)氮(dan)負荷是可(ke)行的(de)(de)，但要達到長期維持內(nei)部低(di)(di)N負荷的(de)(de)目標還應考(kao)慮河流SPM的(de)(de)影響。
