陳小鋒,王潤(rùn)竹,陳 靜,朱詩雅

(揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)

近幾十年來,水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為全球性的環(huán)境問題[1]。氮是組成生命的最基本的元素之一,同時(shí)也是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的最主要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一。反硝化或厭氧氨氧化(Anammox) 可以將水體中的氮素轉(zhuǎn)化為N2逸出,因此被認(rèn)為是水生態(tài)系統(tǒng)中氮素自凈的最重要的兩個(gè)途徑[2]。然而,Anammox是自養(yǎng)型生物脫氮反應(yīng),較易發(fā)生于有機(jī)碳含量相對(duì)較低的區(qū)域,因此對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體來說,反硝化可能才是最主要的脫氮途徑[3]。

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太湖,面積2239 km2,是我國(guó)的第三大淡水湖泊,具有飲用水源、蓄洪、工農(nóng)業(yè)用水、航運(yùn)等多重功能[11]。近幾十年來,太湖富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重,并常年暴發(fā)藍(lán)藻水華。研究表明,夏季太湖浮游植物處于氮限制狀態(tài),其原因可能是夏季太湖具有強(qiáng)大的氮素自凈能力[12]。在此氮素自凈過程中,除了常規(guī)反硝化和厭氧氨氧化以外,是否存在一些新的脫氮途徑以及這些途徑的脫氮潛力如何等尚不明確。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域和樣品采集

于藍(lán)藻暴發(fā)期(2022年8月)布點(diǎn)采集沉積物樣品(圖1)。采樣時(shí)間為下午14:00-16:00,天氣晴,風(fēng)力等級(jí)3級(jí),采樣時(shí)大量的藍(lán)藻上浮并堆積在湖體表面。各采樣點(diǎn)中,河口區(qū)(位點(diǎn)C)堆積了大量的藍(lán)藻,梅梁灣區(qū)(位點(diǎn)B)湖面也有較多的藍(lán)藻分布,而湖心區(qū)藍(lán)藻密度則相對(duì)較低。使用彼得遜采泥斗采集湖泊表層沉積物樣品,裝入自封袋后置于保溫箱中,低溫下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后立即開展理化性質(zhì)的檢驗(yàn)和厭氧培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),剩余的沉積物樣品置于4℃冰箱冷藏,用于測(cè)定細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的樣品則置于-70℃超低溫冰箱中保存。

1.2 底物濃度對(duì)Feammox的影響

1.3 不同藍(lán)藻暴發(fā)區(qū)域沉積物Feammox潛在速率測(cè)定

1.4 DNA提取和高通量測(cè)序

1.5 理化性質(zhì)分析

1.6 數(shù)據(jù)分析

參照Li等[6]方法,估算太湖由Feammox導(dǎo)致的氮去除量,其公式為:

Nr=3.65×ρ×h×(1-W)×R

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式中,Nr為氮去除量(t/(km2·a));ρ為太湖沉積物密度(g/cm3);h為發(fā)生Feammox反應(yīng)的沉積物深度(cm);W為含水率(%);R為Feammox潛在速率(mg/(kg·d))。采用SPSS18.0軟件進(jìn)行相關(guān)性(Pearson)和單因素方差分析 (One-way ANOVA),P<0.05代表顯著水平,P<0.01代表極顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 太湖不同區(qū)域水體和沉積物理化性質(zhì)

夏季是太湖藍(lán)藻暴發(fā)季節(jié),因此水體中葉綠素a濃度很高,其中河口區(qū)達(dá)到83.9 mg/m3,而湖心區(qū)也有47.7 mg/m3。受藍(lán)藻光合作用的影響,3個(gè)位點(diǎn)的水體均有較高的溶解氧濃度,并且呈現(xiàn)弱堿性。3個(gè)位點(diǎn)的沉積物中有機(jī)質(zhì)和鐵元素的含量均比較高,其中梅梁灣中心位點(diǎn)的有機(jī)質(zhì)濃度達(dá)到15.14 mg/L,河口區(qū)的總鐵達(dá)23.7 g/kg, 而鹽酸可提取Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)濃度達(dá)2.5、5.4 g/kg(DW)(表1)。

表1 太湖不同區(qū)域水體和沉積物理化性質(zhì)Tab.1 Physiochemical properties of the water and sediments in different areas of Lake Taihu

2.2 底物濃度對(duì)太湖沉積物中Feammox過程的影響

圖2 不同F(xiàn)e(Ⅲ)添加量的處理中的濃度變化(CF為對(duì)照組;TF1、TF2、TF3、TF4分別為添加2.8、5.6、8.4、14.0 mg Fe(Ⅲ)的處理)Fig.2 Variations of the concentrations of (b), Fe2+ (c) and (d) in the treatments with different Fe(Ⅲ) addition (CF represented control group; TF1, TF2, TF3 and TF4 were the treatments with the additions of 2.8, 5.6, 8.4 and 14.0 mg Fe(Ⅲ), respectively)

圖3 不同添加量的處理中濃度的變化(CA為對(duì)照組;TA1、TA2、TA3、TA4分別為添加的處理)Fig.3 Variations of the concentration of (b), Fe2+ (c), (d) in the treatments with different addition (CA represented control group; TA1, TA2, TA3 and TA4 were the treatments with the additions of 0.14, 0.28, 0.42 and 0.7 mg respectively)

2.3 厭氧培養(yǎng)前后沉積物中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化

在屬水平上,Thermodesulfovibrionia_norank是培養(yǎng)前沉積物中的優(yōu)勢(shì)屬,其豐度達(dá)到8.7%～10.0%,其次是unculturedSutterellaceae(3.3%～4.1%)和unculturedSteroidobacteraceae(2.2%～3.7%),而在厭氧培養(yǎng)之后Symbiobacteraceae_uncultured成為優(yōu)勢(shì)屬,其豐度達(dá)到15.0%～27.7%,其次是Thermodesulfovibrionia_norank(5.7%～7.4%)和Alicyclobacillus(3.3%～7.4%)(附圖Ⅱ)。

針對(duì)大眾化教育背景下研究生和導(dǎo)師關(guān)系中的不和諧狀況，導(dǎo)師作為師生關(guān)系的主導(dǎo)者，應(yīng)借助道德教育、實(shí)踐教育、成才教育和情感教育構(gòu)建師生和諧的倫理關(guān)系、教育關(guān)系和心理關(guān)系?！皫熧t方能生斐”［15］，研究生導(dǎo)師只有在創(chuàng)新實(shí)踐中不斷完善自我、更新自我，才能以高尚的精神品質(zhì)感染學(xué)生，以深厚的科學(xué)素養(yǎng)和高超的實(shí)踐能力指導(dǎo)學(xué)生，以對(duì)學(xué)科前沿敏銳的自覺性和對(duì)知識(shí)創(chuàng)新的能動(dòng)性啟發(fā)和激勵(lì)學(xué)生，以平等真摯的情感凝聚學(xué)生，從而在研究生大眾化教育時(shí)代建立和諧的師生關(guān)系，成為知識(shí)更新、理念更新、育才更新的先導(dǎo)。

2.4 太湖不同區(qū)域沉積物Feammox潛在速率

圖4 同位素厭氧培養(yǎng)過程中30N2和29N2的產(chǎn)生速率(位點(diǎn)A、B和C分別為湖心區(qū)、梅梁灣中心和直湖港河口區(qū))Fig.4 Production rates of 30N2 and 29N2 in the isotopic anaerobic culture (Sites A, B and C are the center of Lake Taihu, the center of Meiliang Bay and the estuary of Zhihugang, respectively)

3 討論

3.1 厭氧培養(yǎng)條件下太湖沉積物中發(fā)生了Feammox反應(yīng)

鐵還原菌,如Exiguobacterium,Geobacter,Shewanella和Acidimicrobiaceae等[4,21],可以利用Fe(Ⅲ)為電子受體,氧化氨、乙酸鹽、乳酸鹽等電子供體并從中獲取生命活動(dòng)所需能量。盡管目前尚不能直接鑒別參與鐵氨氧化進(jìn)程的細(xì)菌,但鐵還原菌可以影響鐵氨氧化過程已得到證明,因此有學(xué)者認(rèn)為這類細(xì)菌是介導(dǎo)Feammox過程的主要細(xì)菌[8]。厭氧培養(yǎng)結(jié)束后,沉積物中鐵還原菌豐度從培養(yǎng)前的2.83%±0.36%上升至4.3%±1.77%(附圖Ⅳ),這也從微生物學(xué)角度證明了培養(yǎng)過程中的確發(fā)生了Feammox反應(yīng)。

3.2 底物濃度對(duì)Feammox的影響

3.3 Feammox對(duì)湖泊氮素自凈的貢獻(xiàn)

在淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中,由于水生植物的光合作用和氧氣在水-大氣界面的充分交換,水體中的溶解氧在白天可能處于過飽和狀態(tài)[28],此時(shí)沉積物中的氧氣穿透深度可達(dá)到15 mm左右[29],進(jìn)而有效促進(jìn)了沉積物中有機(jī)氮的降解和Fe(Ⅱ)的氧化。藻華暴發(fā)過程中,夜間藻和其它微生物的呼吸作用會(huì)大大降低水體中的溶解氧水平,上覆水-沉積物界面2～6 mm深度以下已處于厭氧狀態(tài)[30],這又為Feammox的進(jìn)行營(yíng)造了合適的環(huán)境條件[31]。鐵被認(rèn)為是除氮、磷外,影響藍(lán)藻水華程度的最重要微量元素之一[32],因此一般而言,太湖、滇池、巢湖等藍(lán)藻水華頻發(fā)湖泊的沉積物中均含有較多的鐵元素[33-34]。與之相對(duì)應(yīng),這些湖泊沉積物中也存在著較多的鐵還原細(xì)菌,如巢湖中Thiobacillus、Desulfuromonas和Geobacter等鐵還原菌相關(guān)屬的相對(duì)豐度達(dá)到2.4%～ 6.7%[35],而本研究中,太湖沉積物中鐵還原菌相對(duì)豐度也有2.83%±0.36%(附圖Ⅳ),說明這些湖泊均具備發(fā)生Feammox反應(yīng)的微生物基礎(chǔ)[16]。充足的底物、適宜的環(huán)境條件和相關(guān)功能微生物的存在,表明Feammox反應(yīng)同樣可以在這些富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的實(shí)際環(huán)境中發(fā)生。

4 結(jié)論

1)Feammox反應(yīng)可以在太湖不同區(qū)域沉積物中發(fā)生,其潛在速率可達(dá)到0.17～0.51 mg N/(kg·d);

4)Feammox可以促進(jìn)反硝化功能菌屬相對(duì)豐度的提高,形成Feammox和反硝化的耦合脫氮。

5 附錄

附圖Ⅰ～Ⅳ和附表Ⅰ～Ⅱ見電子版(DOI: 10.18307/2023.0521)。