城市河流沉积物中氮素与好氧甲烷氧化菌群落特征响应关系

由于人类活动的影响大量未经处理的废污水汇入城市河流,高浓度的污染物影响了河流中微生物对生物地球化学物质迁移和转化的介导作用.本文选取典型的城市河流——北运河作为研究区域,分析了北运河沉积物中氮素形态以及含量的空间和季节差异性,并结合克隆文库分子生物学的方法,探讨了氮素形态和含量的差异对好氧甲烷氧化菌(aerobic methane-oxidizing microorganisms,MOB)群落特征的影响.结果表明:北运河沉积物中铵态氮(NH_4~+-N)为氮素的主要存在形态,存在显著的空间差异,其含量在下游显著高于上游,但季节差异不显著.NH_4~+-N含量的空间差异对MOB的群落结构和群落分布有显著影响,对群落多样性影响不显著.NH_4~+-N含量的空间分布特征与MOB的群落聚类特征一致,NH_4~+-N对MOB群落分布的影响显著高于其他形态的氮素,其含量越高,则与MOB群落分布的响应关系越紧密.北运河中NH_4~+-N的来源影响了沉积物中MOB的主要来源,MOB高同源性菌群的来源与NH_4~+-N等主要污染物的来源一致.沉积物中MOB物种之间联系的紧密程度依赖于氮素的主要存在形态及其含量水平.NH_4~+-N含量较高的下游沉积物中微生物彼此之间关系及集聚程度更强,受外界环境变化的干扰程度更强,受人类活动引起环境变化的敏感程度更高.城市河流中氮素的形态和含量差异对甲烷的氧化过程有显著影响.探究城市河流沉积物中高含量的NH_4~+-N对甲烷产生及消耗的影响过程是控制河流温室气体排放的关键.     

中国长足摇蚊(Tanypus chinensis)幼虫底栖扰动对沉积物溶解氧特征及反硝化的影响

以中国长足摇蚊(Tanypus chinensis)幼虫对沉积物的生物扰动过程为研究对象,运用稳定同位素示踪及同位素配对技术,深入探讨长足摇蚊幼虫扰动对太湖梅梁湾沉积物硝酸盐界面迁移、溶解氧侵蚀深度及沉积物反硝化速率及两种不同反硝化过程(非耦合反硝化(DW)和耦合反硝化(DN))的影响.摇蚊幼虫扰动后,添加15N两种处理沉积物氧气消耗速率由355.49±131.49μmol/(m2.h)变化为546.39±261.41μmol/(m2.h),而未添加15N两种处理由313.57±61.63μmol/(m2.h)变化为554.17±184.36μmol/(m2.h),硝酸盐界面迁移结果表明:扰动显著加强了水体硝酸盐向沉积物迁移的速率,加强沉积物作为上覆水中NO3-N汇的作用,摇蚊幼虫扰动组的硝酸盐迁移速率从-33.75±29.25μmol/(m2.h)提高到-210.14±117.25μmol/(m2.h).同位素添加实验发现,摇蚊幼虫底栖扰动能显著提高沉积物总反硝化速率,与对照组相比,总反硝化速率从31.83±8.79μmol/(m2.h)上升到228.98±54.09μmol/(m2.h),增加了约6倍左右.利用同位素配对法计算对两种不同反硝化过程进行区分,发现非耦合反硝化速率从15.78±8.51μmol/(m2.h)上升到182.96±45.22μmol/(m2.h),耦合反硝化速率从16.04±5.63μmol/(m2.h)增加到46.01±8.97μmol/(m2.h),预示着底栖生物扰动能同时增加耦合和非耦合两种反硝化过程,而非耦合反硝化过程的增加强度远大于耦合反硝化.     

云南阳宗海表层沉积物有机质组成结构对磷赋存形态特征的影响

利用连续提取分级的方法定量分析阳宗海表层沉积物磷赋存形态,阐明了沉积物C、N、H和O组成及溶解有机质(DOM)紫外-可见光谱特征,探讨沉积物元素组成及DOM组成结构对不同形态磷含量的影响.结果表明:(1)沉积物潜在可移动磷含量在68.67~124.70 mg/kg之间变化,平均占总磷含量的9.81%,表现为BD-PNa OH-nr PNH_4Cl-P;沉积物稳定磷含量在496.73~908.28 mg/kg之间变化,平均占总磷含量的60.86%.(2)沉积物C、N含量和疏水性DOM光谱参数A_(240-400)表现出北部高、南部低的变化趋势,但H/C、O/C和(N+O)/C摩尔比和亲水性DOM光谱参数A_(240-400)变化趋势则与之恰好相反.(3)沉积物NH4Cl-P含量与C、N和H含量之间呈显著正相关,但与H/C、O/C、(N+O)/C摩尔比和亲水性DOM光谱参数E_2/E_3值之间呈显著负相关;NaOH-rP和BD-P+NaOH-rP含量均与O含量及O/H摩尔比呈显著负相关;NaOH-rP、BD-P+NaOH-rP和HCl-P均与疏水性DOM光谱参数A_(240-400)值之间呈显著正相关.因此,天然有机质元素组成及官能团结构是影响沉积物磷赋存形态的重要因素.     

淀山湖有色可溶性有机物的光谱吸收特性

探讨了淀山湖水体中有色可溶性有机物(CDOM)的光谱吸收特性,CDOM与叶绿素a、浊度和COD等水质参数的关系,以及不同波段范围内CDOM光谱吸收形状(指数函数斜率S值)的变化.结果表明:淀山湖CDOM吸收系数不高,在355 nm波长处的吸收系数变化范围是6.95-10.28 m-1,而且湖南区高于湖北区;CDOM吸收系数和叶绿素a、浊度、COD等水质参数的相关性都不高,证明湖中的CDOM主要来自于城镇生活污水和工业废水的排放;CDOM吸收系数在300-500 nm范围内随着波长的增加呈指数递减,超过500 nm之后呈线性递减,在300-500 nm波段范围内指数函数的曲线斜率S为11.7-14.8 μm-1,在501-750 nm波段范围内波长每增1 nm,CDOM的吸收系数减小0.0021 m-1.     

太湖梅梁湾有色可溶性有机物的空间分布及光学行为

2004年3月对太湖梅梁湾有色可溶性有机物(CDOM)的吸收和荧光等光学行为进行研究,并由此探讨了CDOM的空间分布．结果表明,溶解性有机碳(DOC)的浓度在10．48-19．72 mg／L间变化,其均值为13．20±2．79 mg／L;CDOM在280 nm,355 nm和440 nm的吸收系数分别为18．73-31．91 m-1(平均值23．19±4．36 m-1)、4．63-7．14 m-1(平均值5．76±0．91 m-1)、1．45-2．99 m-1(平均值1．92±0．40 m-1);355 nm波长处CDOM的比吸收系数为0．34-0．57 L／(mg·m),平均值0．44±0．06 L/(mg·m);表征CDOM分子大小的比值a(250)／a(365)变化范围为5．05-7．55;355 nm的激发波长、450 nm的发射波长处的荧光值的变化范围0．79-3 04 nm-1(平均值1．69±0．77 nm-1)．CDOM吸收系数、DOC浓度、荧光强度的分析显示CDOM浓度呈现从河口往湾内、湾口递减的趋势．CDOM吸收与DOC浓度的相关性随波长的降低而增加,在短波部分存在明显的正相关．355 nm处的荧光值、DOC浓度与CDOM吸收系分别存在如下显著性正相关关系:Fn(355)=0．692(±0．135)a(355)-2．297(±0．786),a(355)=0．233(±0．061)DOC 2．690(±0．816)．280 -500 nm、280-360 nm、360-440 nm指数函数斜率S值分别为13．86±0．91、18．54±1．11、12．93±0．92μm-1,S值与比吸收系数之间存在显著的负线性相关关系,而与a(25)／a(365)值则存在显著的正线性关系．比吸收系数越大,a(250)／a(365)值和S值就越小,对应的CDOM分子量就越大,腐质酸的比例就越高．     

太湖入湖河口和开敞区CDOM吸收和三维荧光特征

应用吸收和三维荧光光谱对2007年夏季太湖入湖河口和大太湖开敞区有色可溶性有机物(CDOM)浓度及来源进行研究.结果表明,河口区和开敞区CDOM吸收系数a(355)存在显著空间差异,河口区明显大于开敞(ANOVA,P<0.001),a(355)最大值出现在大浦河口和竺山湾漕桥河几附近,最小值出现在东太湖和胥口湾.a(355)与溶解性有机碳、化学耗氧量浓度存在显著正相关.所有样品一般都含有4个明显的荧光峰,包括1个可见光区的类腐殖质荧光C峰,1个紫外光区的类腐殖酸荧光A峰,2个类蛋白荧光B峰和D峰.河口区外源输入的类腐殖质荧光非常强,最著大于开敞区(ANOVA,P<0.05).而河口区和开敞区类蛋白荧光没有显著性差异,反映开敞区除外源河流输入外,内源生物降解等对类蛋白荧光贡献增加.在河口区B、C峰的比值r(B/C)/b于1,均值为0.62±0.14、在开敞区r(B/C)除12#是0.92,其他值均大于1,均值为1.12±0.13,初步判断r(B/C)可以作为区分CDOM来源的重要参数.CDOM吸收a(355)与类腐殖质荧光C峰、A峰均存在极显著的正相关,而与类蛋白荧光相关性则明显下降,与D峰存在显著正相关,与B峰没有显著相关.     

典型湖泊天然有机质与四环素的相互作用

采用荧光滴定法研究四环素(tetracycline,TC)与太湖溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)和玄武湖DOM的相互作用.三维荧光光谱结合平行因子分析显示,2个湖泊的DOM含有3个荧光组分:类富里酸组分C1、类色氨酸组分C2和类络氨酸组分C3.其中C2的荧光强度远高于C1和C3,是DOM的主要荧光组成.3个荧光组分与TC发生了不同程度的静态猝灭,特别当TC浓度为45.5μmol/L时,类蛋白组分的荧光强度完全被猝灭(100%),并且猝灭作用改变了DOM分子的微环境极性.同步荧光光谱联合二维相关图谱进一步表明类色氨酸组分优先和TC发生猝灭作用,其次为类络氨酸组分和类富里酸组分.Ryan-Weber方程适于拟合DOM与TC的猝灭过程,2个湖泊的DOM中3个荧光组分的络合常数lg K值范围为5.05~5.85,大小顺序为C2C3C1.因此,类蛋白组分为主的DOM对TC的络合作用大于类腐殖组分为主的DOM,影响抗生素在湖泊水体中的生物有效性和生态毒性.     

太湖冬季有色可溶性有机物吸收荧光特性及遥感算法

基于2006年和2007年1月两次太湖采样,对50个点位的有色可溶性有机物(CDOM)光谱吸收、荧光、溶解性有机碳(DOE)浓度及遥感反射率进行测定与分析,探讨冬季太湖CDOM的吸收荧光特性及空间分布,建立CDOM吸收系数的遥感反演算法.结果表明,太湖冬季CDOM在355nm处吸收系数a(355)变化范围和均值分别为1...     

白洋淀超微真核藻的空间分布特征及关键影响因子

超微真核藻个体微小、比表面积大,具有高效的碳吸收速率,对水体初级生产力具有重要的贡献.目前对淡水超微真核藻的认知还非常有限.于2017年5月对白洋淀进行采样调查,结合流式细胞术和高通量测序技术探究了白洋淀超微真核藻群落结构的空间分布特征及关键环境影响因子.结果表明,白洋淀超微真核藻的平均丰度为7.59×104cells/ml,且随着营养水平的升高呈现先增加后降低的变化趋势.回归分析表明,超微真核藻丰度在中营养水平水域主要受溶解性总磷和TN/TP影响,在富营养水域主要与盐度有关.测序比对结果表明在纲水平上白洋淀超微真核藻主要以绿藻纲Chlorophyceae、硅藻纲Bacillariophyceae、中心硅藻纲Coscinodiscophyceae、金藻纲Chrysophyceae为主,不同区域差异不大.但在操作分类单元(Operation Taxonomy Units,OTU)水平上,超微真核藻群落结构在白洋淀不同营养状态湖区存在显著差异,中营养水域主要类群为栅列藻科Scenedesmaceae,近囊胞藻属Paraphysomona sp.,定鞭藻纲Haptophyceae和甲藻纲Dinophyceae为主,而富营养水域主要类群为红球藻科Haematococcaceae,金藻纲的Chromulinale sp.和Chrysophycea sp..Bioenv分析表明,对超微真核藻群落组成影响最大的环境因子是溶解性总氮、溶解性总磷、TN/TP、硝态氮、溶解氧.本研究表明超微真核藻的群落结构存在较明显的环境异质性,对白洋淀水体富营养化状态有很好的指示.     

东北地区典型湖沼沉积物溶解态有机质组成特征及来源解析：以库里泡为例

溶解态有机质(DOM)是湖泊沉积物的重要组分,解析DOM的组成和来源对于深入理解湖泊有机质生物地球化学循环及控制水体富营养化具有重要意义。 本研究于2021年5月和8月采集了大庆市库里泡表层及柱状沉积物、泡内水生物(浮游藻类、挺水植物和沉水植物)、岸边土壤、陆生C3和C4植物、禽畜粪便以及城镇污水等样品,分析了样品DOM的稳定同位素(δ¹³C 和 δ¹⁵N)组成及三维荧光光谱特征,并利用IsoSource软件计算了不同来源样品对沉积物DOM的贡献率。结果显示:(1)库里泡内表层沉积物DOM的δ¹³C和δ¹⁵N组成存在季节性差异,5月δ¹³C和δ¹⁵N均值分别为-25.54‰和9.02‰,8月分别为-26.81‰和8.40‰。(2)库里泡内柱状沉积物DOM的δ¹³C和δ¹⁵N组成在垂直方向存在差异,表层(0~3 cm)δ¹³C和δ¹⁵N均值分别为-26.58‰和9.04‰,深层(3~30 cm)均值分别为-25.40‰和10.61‰。(3)表层沉积物DOM的三维荧光组分存在季节性差异。5月以类腐殖质荧光组分为主,占比为87.89%,HIX和BIX分别为6.27和0.67;8月蛋白类荧光组分占比为49.58%,HIX和BIX指数均值分别为1.72和0.87。(4)5月表层沉积物DOM外源输入占比为61%,以土壤(21.40%)和城镇污水(18.08%)为主;而8月内源贡献占比稍高(55.10%),且以挺水植物为主(48.68%)。(5)柱状沉积物(0~30 cm)不同深度DOM来源组成相近,主要为城镇污水、沉水植物/藻和挺水植物,贡献率均值分别为42.13%、25.07%和18.53%。整体上,库里泡沉积物DOM来源主要受到流域内人类活动及气候特征的影响,本文研究结果有利于加深对我国东北地区湖泊沉积物有机质迁移转化及累积规律的认识。     

不同丰枯情景下长江三角洲非通江湖泊(滆湖、淀山湖和阳澄湖)有色可溶性有机物组成特征

长三角地区大部分湖泊为非通江湖泊,地势低平,港汊及闸坝众多,水流宣泄不畅,水力滞留时间较长,加之周边地区城镇人口稠密.因此与水滞留时间短的通江湖泊相比,非通江湖泊的有色可溶性有机物(CDOM)来源和组成具有差异性.本文选取了3个重要的中型非通江供水湖泊——滆湖、淀山湖和阳澄湖,对枯水期、平水期、丰水期3种水文情景下CDOM组成结构变化特征进行分析,从而进一步揭示该类湖泊CDOM来源和对水文情景响应的内在机理.结果表明:滆湖、淀山湖和阳澄湖通过平行因子分析法得到2种类腐殖质(C1和C4)和2种类蛋白质(C2和C3),湖泊CDOM结构受到降雨事件和人类活动的双重影响.三个湖泊类蛋白质的高值在空间上主要集中在人类活动频繁的湖区,并且类蛋白质平均荧光强度与叶绿素a浓度相关性较差,说明湖泊类蛋白质组分受到内源藻类降解、外源人类生产生活排放双重作用的影响.三个湖泊类蛋白质的平均荧光强度和总氮浓度均在枯水期显著高于丰水期,说明降雨量的增加可以稀释湖泊有机质浓度;同时,陆源类腐殖质C1与溶解性有机碳、总氮、总磷、叶绿素a浓度呈显著正相关,并且随着降雨量增加,类蛋白质的占比逐渐降低,滆湖从86.84%降低至62.49%,淀山湖从96.53%降低至90.56%,阳澄湖从98.40%降低至96.26%,说明降雨事件也可以增强径流的冲刷作用,携带更多腐殖化程度高的陆源有机质进入湖泊.本研究发现降雨过程和人类活动共同作用于滆湖、淀山湖和阳澄湖CDOM库,研究结果可以为进一步保障太湖流域人类用水安全提供参考依据.     

江苏省西部湖泊溶解性有机物光谱学特征和来源解析

利用光谱学手段研究江苏省西部湖泊表层水体中溶解性有机物(DOM)组成与结构,并对其来源进行分析.单位浓度可溶性有机碳在254和280 nm波长下的吸光度值(SUVA)测定结果表明,各湖泊芳香性程度及分子量大小依次为邵伯湖>天岗湖>白马湖>石臼湖>洪泽湖>固城湖>骆马湖>高邮湖>宝应湖.特定波长下吸光度的比值(E2/E3、E3/E4)显示邵伯湖和白马湖中的DOM结构复杂、分子量大、苯环多,以腐殖酸为主要成分;其它湖泊的DOM腐殖化程度较低,以富里酸为主.指数函数曲线斜率(S275～295nm)拟合结果也同样表明邵伯湖DOM分子量最大,而宝应湖最低.各湖泊荧光指数和生物指数分别处于1.13～1.30和0.47～0.67范围内,体现出DOM强烈的陆源性.四个主要荧光峰的相对荧光强度之间均存在良好的相关性,表明这些湖泊的类腐殖酸及类蛋白物质可能有着相同的来源.结合这些湖泊的特征及流域经济发展水平,可以初步推断经入湖河流携带的由农业及其下游产业产生的有机质是江苏西部湖泊中DOM的主要来源.