Effects of benthic bioturbation on anammox in nitrogen removal at the sediment-water interface in eutrophic surface waters  

富營養(yǎng)化地表水體中底棲生物擾動對沉積物-水界面脫氮過程中厭氧氨氧化的影響  

來源：Water Research, Volume 243, 2023, 120287

《水研究》第243卷，2023年，文章編號120287  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出厭氧氨氧化（anammox）對淡水生態(tài)系統(tǒng)氮損失有重要貢獻(xiàn)。沉積物-水界面（SWI）是anammox的"熱點(diǎn)"，也存在大量大型底棲動物。本研究通過微觀系統(tǒng)比較三種代表性底棲動物（Propsilocerus akamasi、Branchiura sowerbyi、Radix swinhoei）不同生物擾動模式對SWI處anammox和脫氮過程的影響。結(jié)果表明所有三種底棲動物均促進(jìn)anammox和反硝化過程，其中"廊道擴(kuò)散者"P. akamusi實(shí)現(xiàn)最高脫氮效率，使浮霉菌門（anammox細(xì)菌所屬）相對豐度增加70%，anammox hzsB基因豐度提高2.58倍，潛在anammox速率提升12.79 nmol N g?1 h?1，總脫氮量增加2.42倍。  

 

研究目的：  

探究不同生物擾動模式的底棲動物對沉積物-水界面anammox和脫氮過程的影響  

 

驗(yàn)證"廊道擴(kuò)散者"因生物灌溉作用能最顯著促進(jìn)脫氮的假說  

 

闡明底棲動物調(diào)控氮循環(huán)的微生物機(jī)制與生態(tài)工程應(yīng)用價值  

 

研究思路：  

選擇三種典型底棲動物（P. akamusi"廊道擴(kuò)散者"、B. sowerbyi"上升輸送者"、R. swinhoei"生物擴(kuò)散者"）  

 

構(gòu)建微宇宙系統(tǒng)（含沉積物和上覆水），設(shè)置對照組和三種生物處理組  

 

監(jiān)測水體理化參數(shù)（氮形態(tài)、DOC）、沉積物DO剖面（Unisense微電極）、微生物群落（高通量測序）和功能基因（qPCR）  

 

使用1?N標(biāo)記技術(shù)測定潛在anammox和反硝化速率  

 

分析生物擾動模式與氮去除效率的關(guān)聯(lián)機(jī)制  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

上覆水氮濃度（圖1）：B. sowerbyi處理NH??、NO??、TN濃度最高，P. akamusi處理TN最低（2.44 mg/L），說明生物擾動改變氮遷移轉(zhuǎn)化  

 

 

沉積物DO剖面（圖2a）：P. akamusi處理DO滲透深度最大（2.5 mm），B. sowerbyi最小（1.5 mm），表明生物灌溉顯著增強(qiáng)沉積物氧化層  

 

 

微生物基因豐度（圖4）：hzsB基因在P. akamusi處理增加2.58倍，nirS基因增加3.67倍，證明生物擾動促進(jìn)功能菌增殖  

 

 

潛在速率（圖5）：P. akamusi處理anammox速率最高（15.41 nmol N g?1 h?1），是對照的5.87倍，顯示最佳脫氮效果  

 

 

脫氮量（圖6a）：P. akamusi處理脫氮量136.46 mg，是對照的2.42倍，證實(shí)實(shí)際脫氮能力提升  

 

 

結(jié)論：  

三種底棲動物均促進(jìn)anammox和脫氮，效果排序：廊道擴(kuò)散者 > 生物擴(kuò)散者 > 上升輸送者  

 

P. akamusi通過構(gòu)建U型管道增強(qiáng)DO滲透和底物傳輸，使浮霉菌門豐度增加70%，anammox速率提升12.79 nmol N g?1 h?1  

 

底棲動物通過改變DO和底物分布，促進(jìn)anammox與反硝化耦合，構(gòu)建"天然脫氮反應(yīng)器"  

 

操縱底棲動物是修復(fù)富營養(yǎng)化水體的生態(tài)策略，可使淺水湖泊年脫氮量達(dá)1858噸  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense OX-25微電極（100 μm分辨率）測量的沉積物DO剖面（圖2a）具有核心研究意義：  

精準(zhǔn)量化生物擾動對氧化還原分區(qū)的調(diào)控：首次揭示P. akamusi"廊道擴(kuò)散者"使DO滲透深度達(dá)2.5 mm（比對照提高38.9%），為anammox創(chuàng)造最佳缺氧-好氧過渡微環(huán)境  

 

解析anammox的微尺度驅(qū)動機(jī)制：DO梯度數(shù)據(jù)證明U型管道內(nèi)交替的好氧/缺氧區(qū)支持硝化-反硝化-anammox耦合，解決anammox細(xì)菌對NO??底物需求與O?限制的矛盾  

 

關(guān)聯(lián)微生物功能響應(yīng)：DO剖面與hzsB基因豐度（圖4b）及anammox速率（圖5a）的空間吻合，證實(shí)生物灌溉通過擴(kuò)大氧化層促進(jìn)Planctomycetes生長和代謝活性  

 

技術(shù)優(yōu)勢：高分辨率原位測量避免傳統(tǒng)分層采樣的擾動，準(zhǔn)確捕捉毫米級生物地球化學(xué)過程，為理解SWI微界面過程提供關(guān)鍵實(shí)證