Effect and microbial mechanism of suspended sediments particle size on nitrous oxide emission in eutrophic lakes

富營養(yǎng)化湖泊中懸浮沉積物粒徑對(duì)氧化亞氮排放的影響及微生物機(jī)制  

來源：Environmental Pollution, Volume 334, 2023, Article 122180  

《環(huán)境污染》第334卷，2023年，文章編號(hào)122180  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室微宇宙系統(tǒng)，揭示了富營養(yǎng)化湖泊中懸浮沉積物（SPS）粒徑與N?O排放的關(guān)系及微生物機(jī)制。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：  

野外相關(guān)性：湖泊N?O通量與營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.94, p<0.01），且與SPS粒徑顯著相關(guān)（圖2）。75-150μm粒徑SPS占比與N?O通量正相關(guān)（p<0.05），而>300μm粒徑占比負(fù)相關(guān)（p<0.05）。  

 

 

微宇宙實(shí)驗(yàn)：75-150μm粒徑系統(tǒng)（S2）的N?O排放速率最高（5.94±0.007 μg N/L/d），是<75μm系統(tǒng)（S1）的2.6倍（圖3b）。>300μm系統(tǒng)（S4）的N?O還原速率（Vmax=6.78 μmol/L/h）是其他系統(tǒng)的16-50倍（圖3d，表3）。  

 

 

微生物機(jī)制：S2系統(tǒng)具有最高的(nirS+nirK)/nosZ比值（30.2），表明強(qiáng)N?O產(chǎn)生潛力；S4系統(tǒng)nosZ基因豐度最高（6.8×10? copies/ng），表明強(qiáng)N?O還原能力（圖6c,d）。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析顯示，S2系統(tǒng)中反硝化菌（如Azohydromonas）主導(dǎo)合作網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)N?O排放；S4系統(tǒng)中硝化菌（Nitrospira）與反硝化菌（SM1A02）協(xié)同促進(jìn)N?O還原（圖5c）。  

 

 

 

 

研究目的

探究SPS粒徑與富營養(yǎng)化湖泊N?O排放的關(guān)聯(lián)性。  

 

闡明不同粒徑SPS影響N?O產(chǎn)生的微生物機(jī)制。  

 

量化SPS粒徑對(duì)N?O還原能力的影響。  

 

研究思路

野外調(diào)查：在長江中下游7個(gè)淺水湖泊（圖1a）測(cè)定N?O通量、水質(zhì)參數(shù)及SPS粒徑分布（表1），分析其相關(guān)性（圖2）。  

 

 

 

實(shí)驗(yàn)室微宇宙系統(tǒng)：構(gòu)建4組平行系統(tǒng)，分別接種不同粒徑SPS（<75μm, 75-150μm, 150-300μm, >300μm）（圖1b,c），監(jiān)測(cè)N?O排放動(dòng)態(tài)（圖3a,b）及氮轉(zhuǎn)化參數(shù)。  

 

微生物分析：通過16S rRNA測(cè)序、功能基因（nirS, nirK, nosZ）定量及共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖4-5），解析粒徑對(duì)微生物群落及功能的影響。  

 

 

Unisense電極驗(yàn)證：直接測(cè)定溶解態(tài)N?O生成/還原速率（圖3c,d）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

野外N?O通量與SPS粒徑（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：N?O通量（0.64–26.64 μmol m?2 d?1）與TLI呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.97）；75-150μm粒徑占比與N?O通量正相關(guān)（r=0.62），>300μm占比負(fù)相關(guān)（r=-0.58）。  

 

意義：首次建立SPS粒徑分布與N?O排放的定量關(guān)聯(lián)，表明中等粒徑（75-150μm）是富營養(yǎng)湖泊N?O排放的關(guān)鍵載體。  

微宇宙系統(tǒng)N?O排放（圖3a,b）  

 

數(shù)據(jù)：S2系統(tǒng)（75-150μm）N?O平均排放速率最高（5.94 μg N/L/d），S4系統(tǒng)（>300μm）N?O還原速率Vmax最高（6.78 μmol/L/h）。  

 

意義：證實(shí)粒徑通過調(diào)控微生物代謝途徑影響N?O凈排放，為湖泊N?O模型提供參數(shù)依據(jù)。  

微生物群落與功能基因（圖4-6）  

 

數(shù)據(jù)：S2系統(tǒng)反硝化菌Azohydromonas相對(duì)豐度最高（10.79%），(nirS+nirK)/nosZ比值最大（30.2）；S4系統(tǒng)nosZ基因豐度最高（6.8×10? copies/ng）。  

 

意義：揭示粒徑通過改變微生物群落結(jié)構(gòu)（如S4中Nitrospira與SM1A02協(xié)同）調(diào)控N?O還原能力，為N?O減排提供微生物靶點(diǎn)。  

 

結(jié)論

粒徑效應(yīng)：75-150μm粒徑SPS是富營養(yǎng)湖泊N?O排放的主要貢獻(xiàn)者（排放速率最高），而>300μm粒徑SPS具有最強(qiáng)N?O還原能力（Vmax為其他系統(tǒng)的16-50倍）。  

 

微生物機(jī)制：  

 

中等粒徑（75-150μm）促進(jìn)反硝化菌富集（如Azohydromonas），高(nirS+nirK)/nosZ比值導(dǎo)致N?O積累。  

 

大粒徑（>300μm）形成"硝化-反硝化"協(xié)同微環(huán)境：表層硝化菌（Nitrospira）提供NO??，內(nèi)部反硝化菌（SM1A02）高表達(dá)nosZ基因?qū)崿F(xiàn)N?O還原。  

環(huán)境意義：控制湖泊中75-150μm粒徑SPS的懸浮量可有效抑制N?O排放，而保護(hù)大粒徑SPS有助于增強(qiáng)N?O匯功能。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中使用的Unisense微電極系統(tǒng)（響應(yīng)時(shí)間<1秒）直接測(cè)定了溶解態(tài)N?O的動(dòng)態(tài)變化（圖3c,d）：  

高時(shí)空分辨率監(jiān)測(cè)：  

 

實(shí)時(shí)記錄30分鐘內(nèi)溶解N?O濃度變化（如S2系統(tǒng)N?O從0升至0.31 μmol/L），捕捉傳統(tǒng)氣袋采樣無法反映的瞬時(shí)過程（圖3c）。  

 

意義：揭示SPS表面微生物的快速代謝響應(yīng)，證實(shí)75-150μm粒徑SPS具有最快N?O生成動(dòng)力學(xué)。  

量化N?O還原能力：  

 

通過添加飽和N?O溶液（初始10 μmol/L），直接測(cè)定Vmax（如S4系統(tǒng)Vmax=6.78 μmol/L/h），結(jié)合米氏方程擬合獲得Km值（表3）。  

 

意義：首次量化不同粒徑SPS的N?O還原酶活性，證明>300μm粒徑系統(tǒng)具有超高底物親和力（Km=11.96 μmol/L），為N?O還原微生物篩選提供依據(jù)。  

驗(yàn)證微生物機(jī)制：  

 

電極數(shù)據(jù)與基因分析一致：S4的高nosZ豐度（圖6d）直接對(duì)應(yīng)其高Vmax（圖3d），而S2的高(nirS+nirK)/nosZ比值（圖6c）對(duì)應(yīng)其N?O凈排放。  

 

意義：將微生物功能基因表達(dá)與實(shí)際代謝活性關(guān)聯(lián)，確證粒徑通過調(diào)控微生物群落功能影響N?O源/匯平衡。  

 

核心價(jià)值：Unisense電極實(shí)現(xiàn)了溶解態(tài)N?O生成/還原過程的原位、無損、高精度監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)法的時(shí)間滯后性，為水生系統(tǒng)N?O微生物代謝動(dòng)力學(xué)研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。