长江中下游典型湿地沉积物-水界面硝酸盐异养还原过程

反硝化(Denitrification,DNF)和硝酸盐异化还原为氨(Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium,DNRA)是硝酸盐异养还原的2个主要途径.反硝化被认为是彻底去除水体氮负荷的主要过程;而硝酸盐异化还原为氨则将水体中的硝态氮转化为氨氮.2个过程均以硝酸盐为电子受体,并存在相互竞争关系.这2个过程的研究对理解湿地氮转化以及指导湿地氮污染修复具有重要意义.运用无扰动沉积物柱样流动培养、15NO-3-N同位素示踪实验,并采用氨氧化-膜接口质谱仪联用(OX/MIMS)测定氨氮同位素产物的方法,对鄱阳湖碟形湖湿地、巢湖重污染河流湿地、巢湖重污染湖泊湿地3种类型湿地沉积物-水界面的硝酸盐异养还原过程进行研究,结果表明存在显著差异.3种类型湿地DNF速率的范围为(6.36±2.57)~(99.98±14.05)μmol/(m2·h),DNRA速率的范围为(0.51±0.45)~(79.82±6.08)μmol/(m2·h).在3种类型湿地中,随着氮污染程度加重,DNF和DNRA速率均显著增加,且DNRA过程在总的硝态氮异养还原中所占的比重不断增大,说明较高的硝酸盐负荷、较高的沉积物有机质含量更有利于DNRA过程的竞争.而对反硝化方式的进一步研究发现,巢湖重污染河流、湖泊湿地主要以非耦合反硝化为主导过程,而鄱阳湖碟形湖湿地则更倾向于以硝化过程耦合控制的反硝化为主.     

异养细菌硫代谢及其在海洋硫循环中的作用

自然界中的硫循环与碳循环、氮循环紧密相关,它们通过各种生物地球化学过程耦合链接.海洋微生物由于其丰度高分布广、代谢途径多样、适应性强,因此在硫循环和碳、氮循环的耦合及相关生物地球化学循环中发挥至关重要的作用.当前,许多沿海地区饱受低氧/缺氧等生态灾害的困扰,其特征之一是有毒硫化氢的产生和积累.近年来,一系列研究表明:异养细菌的异化型硫氧化作用,对保护海洋生态系统免受硫化氢的毒害具有积极作用.硫氧化细菌在长期的进化过程中,形成了极其多样的系统发育和代谢特征,在不同海洋生境中承担了重要的生态功能.文章在总结硫氧化微生物类群和代谢多样性研究的基础上,阐述了硫元素和碳元素通过微生物代谢相互关联,并影响海洋生态系统的过程和机制.硫氧化细菌代谢途径的研究,可洞悉微生物的硫代谢过程,亦有助于解析环境条件变化对海洋硫循环的影响,为研究海洋硫循环和碳循环的耦合关系提供理论支撑.     

低湿洼地鱼塘中异养细菌的矿化作用

对黄淮海平原低湿洼地鱼塘中异常细菌的矿化作用进行了初步研究,结果表明：（１）鱼塘水体中异养细菌的呼吸强度与鱼塘水体中的有机物质含量及温度密切相关;（２）鱼塘水体中异养细菌的生物量表现出明显的季节性变化;异养细菌的生物量在表层水及底层水之间的差异不明显。（３）鱼塘水体中异常细菌分解有机物质的动力学特点如下：开始时,鱼塘水体中有机物质的转化较少,随温度的增高及异养细菌生物量的增加,水体中的矿化作用逐渐     

固定化土著氮循环细菌在城市湖泊水体净化中的应用

从镇江金山湖天然水体中筛选分离出土著氨化、亚硝化、硝化和反硝化细菌,对氮循环细菌固定化后在镇江金山湖示范工程区进行水体净化应用.结果表明,运行一段时间后水质得到明显改善,氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮以及总氮浓度处于动态变化中,有降低的趋势;氨氮含量已经达到Ⅱ类指标,总氮和COD分别达到Ⅴ类、Ⅲ类指标;分析结果还显示硝酸盐氮是金山湖水体中总氮的主要存在形式,与水体荒漠化状态有关;固定化氮循环细菌通过扩散,可以增加水体及植物根区的微生物数量,高出对比组1-3个数量级;固定化氮循环细菌技术对荒漠化水体氨氮、总氮和COD去除具有重要意义.     

三种碳源对乌梁素海好氧不产氧光合细菌群落结构的影响

好氧不产氧光合细菌(AAPB)营光合异养,在水体碳循环中起着重要作用.但是,碳源对AAPB群落结构的影响尚不明确.本文基于16S rDNA和光合反应中心合成中的关键基因——pufM基因,运用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术,比较分析了在微生物分离培养中常用的3种碳源(葡萄糖、丙酮酸钠、酵母提取物)对乌梁素海水体总细菌及AAPB群落结构的影响.结果表明,不同碳源诱导7~21 d后,水体总细菌群落丰富度及多样性指数均有不同程度的提升,AAPB群落则呈现先升后降的趋势.3种碳源中,丙酮酸钠添加后对总细菌及AAPB菌群的丰富度和多样性的提升效果最好.测序及系统发育结果表明,乌梁素海水体经诱导后新检测到了一些原环境中未发现的菌属,一些具有特殊碳代谢能力的菌属丰度得到了提升.本研究为充分认识和理解AAPB的生态学作用和意义,及其富集、分离和培养提供了基础依据.     

鄱阳湖流域典型水源水库水华暴发成因及氮污染溯源

富营养化导致的藻类水华是水源地水库面临的主要生态问题之一。探究水源水库中水华暴发成因并开展污染物溯源研究,是预防水华暴发的重要前提。本文选择鄱阳湖流域赣江水系吉安市某典型水源水库为研究对象,通过分析无水华期和水华暴发期水环境特征及其演变规律,探讨了水华暴发的成因及其促发条件,并针对识别出的主要污染因子,开展了同位素溯源研究。结果表明:(1)水库水华暴发的主要原因为水体总氮浓度显著升高(由0.77 mg/L升高至1.57 mg/L),超出了国际公认的水华暴发总氮阈值(0.5~1.2 mg/L),加之夏季高温(32℃)、水库库容量较低,促进了水华暴发;(2)无水华期,水库表层水总氮主要赋存形态为硝酸盐氮(占比>90%),水华暴发期,表层水总氮主要赋存形态由硝酸盐氮转变为有机氮(占比~86%),氮赋存形态转化的主要原因为藻类同化吸收作用;(3)硝酸盐氮、氧同位素示踪结果表明,水库硝酸盐氮主要来源于上游稻田流失的氮肥(负荷贡献率64.45%),其次为上游山区土壤氮流失(14.08%)、大气沉降(12.35%)和农村生活污水(9.12%),因此水库总氮优先控制污染源为上游稻田流失的氮肥。     

氮、磷等营养物质对低洼盐碱地鱼塘水质的影响

通过在实验围隔中添加不同浓度的氮、磷等营养物质,对黄淮海平原低洼盐碱地鱼塘中的水质变化情况进行了初步研究,结果表明：1）围隔水体中异养细菌数量的变动,与水体中氮、磷等营养物质的浓度及比例密切相关,尤其是水体中磷的浓度对异养细菌数量的影响更为显著。2）围隔水体中的氮、磷等营养浓度及比率,明显地影响着其中藻类的数量和生物量。在实验条件下,水体中磷对藻类生长的影响要大于氮对藻类生长的影响,水体中N：P比为10：1左右是比较适宜藻类生长的比例。3）围隔水体中氮、磷等营养盐的去除能力与其中藻类的生物量及水体中N：P的比率密切相关,当围隔水体中的N：P比为10：1左右时,围隔水体中的藻类生长最好,生物量增加最快,相应地其对TN、TP的去除率也是最高的。     

稳定同位素技术在地表水硝酸盐污染研究中的应用

地表水硝酸盐污染已成为全球面临的主要水环境问题之一,为了有效控制地表水中硝酸盐污染,确定地表水中硝酸盐的来源以及研究其在环境中的迁移转化过程就显得尤为重要.硝酸盐稳定氮(¹⁵N)、氧(¹⁸O)同位素作为一种有效的示踪技术在识别地表水中硝酸盐的来源及迁移转化过程中已得到了广泛的应用,但是硝酸盐在迁移转化过程中,¹⁵N、¹⁸O同位素会因为多种因素而发生分馏,同位素值发生变化使得这种技术的应用存在一定的局限性.本文系统总结了不同来源硝酸盐δ¹⁵N、δ¹⁸O值的组成特征及其影响因素,分析了在不同土地利用类型流域内,利用硝酸盐¹⁵N、¹⁸O同位素技术开展硝酸盐来源识别、负荷估算和反硝化作用评估的方法和研究进展.基于已有研究成果,提出在未来的研究过程中,一方面应以流域为单元,选择适当的研究方法并结合多种辅助指标研究多因素共同作用下NO₃^-污染源的δ¹⁵N-NO₃^-和δ¹⁸O-NO₃^-值的变化规律;另一方面应对比流域污染源详细的调查数据,分析现有负荷估算模型存在的不确定性,并构建合适的负荷计算模型;最后,应深入开展同位素在确定流域和河流中反硝化发生的范围、地点和程度方面的研究,特别是掌握河流系统中沉积物-水体中氮的循环过程.     

从微型生物功能类群研究到海洋储碳机制的新认识——方法创新带动科学发现的一个典型案例

海洋微型生物是海洋生物地球化学循环的主要驱动者,也是海洋能量代谢的主要参与者,在海洋生态系统中发挥着举足轻重的作用.好氧不产氧光合异养细菌(AAPB)是海洋中一类重要的功能类群,在海洋中广泛分布,它们可以利用光能补充自身的能量代谢,在海洋碳循环中发挥着重要而特殊的作用.在21世纪初,由于微型生物显微荧光定量方法的弊端,人们对于AAPB分布规律的认识存在着一定的偏差."时间序列红外荧光显微数字化方法"(TIREM)的建立,修正了AAPB定量偏差,揭示了海洋中AAPB分布的真正规律.之后,对AAPB生态分布调控因素的进一步研究表明:相对于光照,溶解有机碳(DOC)对AAPB绝对丰度和相对丰度的影响更重要.此认识推翻了"AAPB通过利用光能就可以赢得与普通异养细菌竞争"这一"想当然"的理论推测.而对AAPB碳源利用特点的研究表明,此功能类群具有重要的碳分馏作用,即AAPB在碳代谢过程中,部分碳源并非简单的沿着传统生物泵方向传递.在此基础上的海洋微型生物与DOC相互作用关系研究,最终导致海洋储碳新机制—微型生物碳泵(MCP)的提出,它解释了海洋中巨大溶解有机碳库存在的原因和机制,实现了海洋储碳机制理论上的新突破.     

陆地碳循环模型-数据融合:前沿与挑战

陆地碳循环是地球生物化学循环的重要组成部分,与人类福祉和可持续发展息息相关,但其模拟和观测都具有高度不确定性.融合模型和观测数据以减少陆地碳循环估计的不确定性、提高其可预测性,已成为陆地碳循环研究前沿.文章综述了陆地碳循环模型与观测各自不确定性的来源和特征,介绍了数据同化和参数估计这两类模型-数据融合方法的数学原理,其实质都是在考虑模型和观测各自误差的基础上,实现模型和观测信息的最优融合.文章进一步分析了陆地碳循环模型-数据融合的挑战和研究热点,重点讨论了真实和虚假的模型"异参同效"及其可识别性,地面通量观测与遥感观测代表性误差的估计,敏感性分析得到的参数后验概率分布对于确定模型误差矩阵的潜在作用,对日光诱导叶绿素荧光等新型遥感观测的同化,并指出把多源观测整合到一个协调一致的碳数据同化系统中绝非易事,然而这方面的突破是发展新一代全球碳数据同化系统的前提.论文最后指出,应用陆地碳循环数据同化,产出更高分辨率、更长时间序列、更可靠和一致的陆地碳循环再分析数据产品,对于准确估计全球和区域碳循环、实现碳管理和碳中和具有重要意义.     

蓝藻光合氮同化的特征与分子调控机理研究进展

水华蓝藻的生物学特性及其竞争优势、蓝藻水华的形成与维持机制等科学问题,一直是国内外研究的热点。氮素是诱发蓝藻水华暴发的重要营养盐,蓝藻对氮素的同化与其光合作用密切偶联。然而,水体中氮素存在多种形态,不同形态氮素对蓝藻生长和水华发生的影响具有显著差异。因此,了解蓝藻光合作用特征及其同化不同形态氮素的机制和策略,对深入理解蓝藻水华的发生机理具有重要意义。本文在蓝藻的光能捕获与激发能转移、光合电子传递、碳浓缩机制及CO₂同化等光合作用过程及其特征综述的基础上,对蓝藻摄取、同化5种主要氮素形态(NO₃^-、NO₂^-、NH₄⁺、尿素和N₂)的分子机制及其特征进行了解读,总结了蓝藻细胞光合碳、氮同化的耦合关系及调控机制;并指出了该领域的未来发展方向,以推动该方向的深入研究。     

基于水化学和氮氧同位素的贵州草海丰水期水体硝酸盐来源辨析

为明确草海湖水及其入湖河流硝酸盐污染的主要来源,定量分析各来源的贡献率,对草海湖水与入湖河流水化学特征和水体硝酸盐的氮氧同位素组成进行了系统研究.通过对草海湖水、河水、井水丰水期水体理化参数和同位素分析发现:湖水的NO_3~-/Cl~-比值和Cl-浓度表明其主要受牲畜粪便和城镇污水输入的影响,而河水与井水则受农业活动和城镇污水的共同影响.δD-water与δ~(18)O-water显示草海水体主要源于大气降水,并有较强的蒸发作用.湖水δ~(15)N-NO_3~-和δ~(18)O-NO_3~-值分别为-5.56‰～11.30‰和0.02‰～25.40‰,较河水偏负而较井水偏正.稳定同位素混合模型(SIAR)计算结果表明草海湖水及其入湖河流硝酸盐主要源于化肥、土壤有机氮、牲畜粪便相关的农业活动,其贡献率在50%以上;城镇污水贡献率在22%左右;大气降水的贡献主要体现在湖水中.     

利用流式细胞仪计数微型浮游生物的方法

微型浮游生物(细胞粒径20μm)在水生生态系统的物质循环和能量流动中起着重要的作用,对其丰度的准确测定是进一步研究微型浮游生物在不同水生生态系统中作用的重要基础.相对于传统的显微镜检测技术,流式细胞术不仅具有分析速度快、灵敏度和准确度高等优点,而且可以同时测量单个细胞的多个生理参数.不同类型微型浮游生物流式细胞术的应用原理是不同的.对于自养型浮游藻类,主要根据藻体内色素的自发荧光对其进行分辨和计数;而对于异养型细菌、原生动物及浮游病毒等,还需借助外源荧光染料对细胞核酸染色后再进行分析.目前流式细胞术已成为浮游藻类和异养细菌丰度检测的常规方法,但是,由于原生动物具有更大的细胞体积且在自然水体中丰度较低;而浮游病毒粒径又太小,甚至低于光源激发波长,因此流式细胞术应用一直受到限制,直到近10年来才有相关报道.本文对运用流式细胞术计数浮游藻类、浮游细菌、原生动物和浮游病毒的具体原理、方法和进展进行综述,并对流式细胞仪在未来水生微生物学领域的应用进行展望.     

基于植物昼夜释氧变化规律的复合垂直流人工湿地氮形态

为了研究植物根系释氧规律对人工湿地中硝化与反硝化作用的影响,采用传统连续运行方式及根据释氧规律调节的新型运行方式(白天连续进水、夜间停水),在复合垂直流人工湿地小试系统中进行实验,采用代表性的挺水植物香蒲作为湿地植物,水力负荷为0.71 m3/(m2.d).结果表明:系统内白天以好氧的硝化作用为主,夜间以厌氧、缺氧的反硝化作用为主,且在新型运行方式下,系统内白天亚硝酸盐氮累积量为传统运行方式的5倍,硝酸盐氮累积量为其2倍,夜间亚硝酸盐氮和硝酸盐氮减少量又分别比传统运行方式高64%和26%.这说明在新型运行方式下,人工湿地脱氮效果优于传统运行方式.     

蓝藻水华对羽摇蚊(Chironomus plumosus)幼虫N2O排放通量的影响

底栖动物是湖泊生态环境的重要组成部分,在泥水界面氮循环中扮演着重要的作用,是一个潜在的N_2O排放源,但其在富营养化湖泊中N_2O排放机制还不清楚.通过室内微宇宙实验,采用气相色谱和现代分子生物学相结合的技术,研究蓝藻存在时底栖动物摇蚊幼虫排放N_2O特征及其内在生物学机制.结果显示底栖动物羽摇蚊幼虫(Chironomus plumosus)肠道是N_2O排放的主要场所,约占活体释放通量的77%.蓝藻存在时羽摇蚊幼虫的N_2O排放通量减少60%左右,肠道内细菌多样性明显下降,肠道中β-变形菌相对丰度增加21%,δ-变形菌相对丰度减少62%,从而改变肠道内细菌群落结构;同时肠道内nir S基因多样性显著增加,出现较多的nir S型反硝化菌的表型,硝酸盐的还原作用得到增强.研究结果有助于揭示富营养化湖泊底栖动物摇蚊幼虫的环境效应,丰富湖泊氮素生物地球化学循环的新过程.     

水域生境好氧不产氧光合细菌(AAPB)研究进展

好氧不产氧光合细菌(aerobic anoxygenic photosynthesis bacteria,AAPB)是广泛分布于海洋、湖泊及河流等典型水域生境中的异养原核生物,能够以环境中有机物为营养物质来获取细胞生长及代谢所需的能量,同时借助自身独特的菌绿素完成光合作用产能但不合成氧气,在物质循环与能量流动中扮演着重要角色.近年,越来越多的AAPB种属被陆续报道,基于光合基因,例如光合反应中心M亚基(pufM)的分子系统发育分析显示,大部分AAPB属于α-、β-及γ-变形菌,且丰度及多样性随生境的不同而呈现时空地理格局异质性.本文对AAPB的栖息环境与生长特性、丰度与分布、生态功能以及环境驱动因子等方面的研究进展进行了回顾和综述.目前,针对水库生态系统AAPB的研究鲜见报道,作者建议开展水库生境中AAPB多样性分布、环境驱动因素及生态功能研究,丰富对于水生生态系统中功能微生物种群生态结构与代谢功能的认识.     

水体细菌碱性磷酸酶及其编码基因研究进展

水体溶解性反应磷是浮游植物可直接利用的主要磷营养形式,细菌碱性磷酸酶催化的有机磷矿化过程则是维持溶解性反应磷供给的重要途径.通过总结细菌碱性磷酸酶的种类与分布特征,发现主要包括Pho A、Pho X和Pho D 3种类型细菌碱性磷酸酶,其中超过50%的Pho X分布于细菌细胞的外部环境,对溶解性反应磷的循环再生尤为重要.综述水体产碱性磷酸酶细菌群落组成的研究进展,以及影响编码基因表达的环境因素,对比分析产碱性磷酸酶细菌群落鉴定方法的特点及发展趋势.细菌碱性磷酸酶编码基因的研究多关注寡营养海洋生态系统,对于同样存在磷限制问题的富营养化湖泊生态系统鲜有涉及,而构建针对典型富营养化湖泊生态系统的细菌宏基因组数据库,则可为建立淡水生态系统细菌碱性磷酸酶及其编码基因的研究方法奠定基础,有助于认识湖泊水华频发的微生物学驱动机制.     

厌氧铵氧化细菌的科学发现及启示——利用科学原理指引科学发现和推动科学发展的经典范例

厌氧铵氧化(anaerobic ammonium oxidation;anammox)是20世纪末被发现的氮循环新途径,这一重大发现不仅改变了生物代谢与物质循环的经典理论,而且深刻影响了对生物能量来源的认识,无光深海这个巨大的空间又多了一个可以进行化能自养"固碳"的微生物新成员.如果说海底热泉自养生物的发现是对"万物生长靠太阳"这一古训的挑战,广布于各种缺氧环境的anammox细菌的发现则可以说是对这一古训的完胜.anammox细菌以NO2?为最终电子受体氧化NH4+,生成N2,与反硝化微生物相似,在环境中行使着无机氮去除这一生物地球化学作用.然而,与异养的反硝化细菌不同,anammox细菌为无机化能自养细菌,从铵的厌氧氧化中获得代谢能形成跨膜质子驱动力(proton motive force;pmf)并合成细胞储能分子—三磷酸腺苷(ATP),进而进行无机碳固定.虽然anammox细菌与随后发现的另一极其重要的海洋氮素转化微生物—氨氧化古菌(AOA)—皆为化能自养微生物,但是,AOA以氨(而非铵根离子)为电子供体并以O2为最终电子受体进行能量代谢.因此,AOA生态过程主要发生在含氧的海水和沉积物中,而anammox细菌在缺氧的海水和沉积物中分布广泛,并在一些典型海洋极端环境中(如深海热液和海底冷泉)也有存在.一些研究显示,海洋中30%~70%氮气的产生可能源于anammox过程.在含氮污水处理工程领域,anammox构成了一种崭新的低能耗、低成本、高效率和节能减排技术.然而,这一科学发现来之不易,早在20世纪60年代就有科学家根据海洋地球化学观测数据提出了anammox这一生物地球化学过程存在的可能性,在20世纪70年代,有科学家根据化学反应热动力学原理,预测anammox细菌的存在,但在随后的十几年时间,该类微生物却一直没有被发现.作为低氧和缺氧环境中广泛分布的一类重要的氮循环细菌,是什么因素阻碍了其发现?又是什么因素最终促成了它的发现?对这些问题的分析给科学研究带来怎样的启示?本文从海洋anammox细菌生理生态学基础和科学研究规律出发,对上述问题进行了分析阐释.     

湖滨带芦苇恢复过程中沉积物氮赋存形态及含量变化:以巢湖为例

水生植被对于维持水生态系统结构和功能稳定性具有举足轻重的作用,而重建水生植物被认为是污染湖泊生态修复的重要手段.氮素是水生态系统重要的限制性元素之一,根着挺水植物生长发育无疑将深刻地影响着沉积物氮的迁移转化过程,但水生植物不同生长阶段对沉积物氮的需求和植物代谢强度均不同,目前对挺水植物完整生长过程中沉积物氮组分及含量变...     

基于集合四维变分方法PODEn4DVar的GRACE陆地水储量同化：方法与验证

地球重力场季节和年际变化主要来源于地球表层大气、海洋和陆地各系统间水的质量交换,由GRACE重力卫星探测地球重力场变化所反映陆地水储量的改变主要来自降雨、土壤蒸发蒸腾、河流输运以及向地下深层的渗透等过程．本研究利用陆面过程模式CLM3．5以及基于本征正交分解的集合四维变分同化方法PODEn4DVar,构建能够同化GRACE卫星重力场的陆面水文同化系统LDAS．G,实现对地球重力场所反映的大尺度陆地水储量变化在时间及垂直方向各分量的分解,并对垂直方向的水文变量进行同化,从而更好地估计陆面水循环要素变化并实现其监测．利用LDAS．G同化系统进行理想试验以及针对中国区域所进行的同化试验表明该同化系统能够改善对陆面水文要素变化的模拟,对大尺度陆面水文循环监测研究具有重要意义．