最近，派森諾生物和中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所合作，利用高通量測(cè)序等技術(shù)，對(duì)沉積物——水環(huán)境系統(tǒng)中，氮元素交換和河流懸浮顆粒物之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，成果順利發(fā)表于SCI期刊《Environmental Pollution》（最新影響因子：5.099）。

背景介紹

在水生環(huán)境中，由于浮游生物殘骸的堆積，過(guò)量的N通常集中在懸浮微粒物質(zhì)（SPM）中；大部分的SPM都沉積在底部河床上，因此，成為N的內(nèi)部來(lái)源；沉積物中氮的增加促進(jìn)了有害藻類的生長(zhǎng)并加劇藻類泛濫。因此，控制和減少內(nèi)部的N負(fù)荷對(duì)控制湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化是至關(guān)重要的。

污染河流的SPM可能是影響疏浚結(jié)果的關(guān)鍵外部因素，然而，對(duì)SPM如何影響疏浚后沉積物——水界面上的N交換知之甚少。

研究目的

銨可以直接被有害藻類如藍(lán)藻利用，且氨對(duì)某些大型水生脊椎動(dòng)物是有毒的，因此是河流生態(tài)的主要關(guān)注對(duì)象。本研究的目的在于揭示疏浚后沉積物——水界面的N素交換和懸浮顆粒物的關(guān)系，旨在為改善類似領(lǐng)域的疏浚工程提供有價(jià)值的信息。

研究方法

測(cè)序技術(shù)：Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)

測(cè)序模式：微生物組細(xì)菌16S rRNA基因

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：巢湖嚴(yán)重污染區(qū)的沉積物

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：將巢湖沉積物取回后，立即在25 cm深度處模擬疏浚過(guò)程，分為6組

U，未疏浚組，不添加SPM

U+DP，未疏浚組，添加滅菌的SPM

U+FP，未疏浚組，添加未滅菌的SPM

D，疏浚組，不添加SPM

D+DP，疏浚組，添加滅菌的SPM

D+FP，疏浚組，添加未滅菌的SPM

新鮮的SPM先60 oC干燥24 h，然后121oC滅菌30 min，以獲得無(wú)菌的SPM。新鮮的SPM和無(wú)菌SPM按照月沉降速率分別與湖水混合，然后加入沉積物柱中。在0、90、180、270和360天，取表面沉積物用于后續(xù)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

未疏浚組（U，U+DP，U+FP）沉積物的TN濃度相似且穩(wěn)定，遠(yuǎn)高于疏浚組。SPM沉降到沉積物表面對(duì)未疏浚組TN的濃度影響不大，但明顯增加疏浚后沉積物TN的濃度。然而，SPM的沉積對(duì)不穩(wěn)定NH4+-N濃度無(wú)明顯影響，D、D+DP、和D+FP組的濃度稍低于U，U+DP，U+FP組，但差異不明顯。

初始新鮮SPM的加入顯著降低了氧的產(chǎn)生/消耗速率（OPR）。D組的OPR在整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中都近似為0，D+DP稍高于D組。加入新鮮的SPM后，D+FP組的的氧生成持續(xù)增加，120到150d，氧消耗速率較高是由于夏天微生物的呼吸作用增加所致。先前已有研究表明疏浚后氧(或氧化還原環(huán)境)在N素交換中起著重要作用；因此，SPM對(duì)OPR和氧氣滲透深度（OPD）的影響將對(duì)沉積物-水界面的N交換產(chǎn)生顯著的潛在影響。

疏浚后，孔隙水NH4+-N濃度顯著增加。然而，在初始疏浚0-120 d，沉積物孔隙水中NH4+-N濃度逐漸下降，顯著(p<0.01)低于未疏浚組沉積物。沉積物-水界面上氧氣濃度的增加以及沉積物NH4+-N的持續(xù)釋放是造成這一現(xiàn)象的原因。之后（>120 d），NH4+-N濃度持續(xù)升高，但未疏浚組遠(yuǎn)高于疏浚沉積物，夏季和冬季（150-330 d）尤為明顯。

NH4+-N擴(kuò)散通量前30天相似，在60d之后，未疏浚沉積物的通量顯著低于高于沉積物，尤其是90-270 d間，與此同時(shí)，低的OPRs（主要是耗氧）和OPD意味著增加的擴(kuò)散通量與沉積物-水界面的高耗氧量有關(guān)。疏浚0-120 d，沉積物孔隙水中NH4+-N濃度的降低，促進(jìn)了NH4+-N擴(kuò)散通量的降低。此外，SPM的沉積對(duì)疏浚組NH4+-N擴(kuò)散通量無(wú)顯著影響。

由物種組成可知，初始疏浚（0 d），在門水平，Proteobacteria、Firmicutes和Nitrospirae的相對(duì)豐度高于未疏浚組；隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，Bacteroidetes和Planctomycetes的相對(duì)豐度增加，與未疏浚組（270 d）相似。但Firmicutes的相對(duì)豐度在90 d內(nèi)急劇下降至未疏浚組的水平，而Proteobacteria一直維持著較高的豐度。值得注意的是，在疏浚沉積物中，Nitrospirae的相對(duì)豐度呈現(xiàn)出先降低（0-90 d）后增加（180-270 d）再降低至第360天最低水平的趨勢(shì)。

疏浚后不久，NH4+-N濃度和通量比未疏浚沉積物顯著降低。此外，不論是否有污染的SPM沉積，疏浚沉積物NH4+-N濃度和通量相似。通過(guò)對(duì)SPM沉積疏浚后，可以基于以下幾個(gè)方面考慮：

首先，疏浚沉積物中的可溶性NH4+-N濃度不受SPM沉積的影響。

其次，SWI的氧化還原能力與N交換密切相關(guān)。此外，NH4+-N擴(kuò)散通量和OPD呈顯著負(fù)相關(guān)（p<0.001），進(jìn)一步證實(shí)了氧化還原能力與N交換的關(guān)系。

再次，Nitrospirae相對(duì)豐度變化較大，與孔隙水中NH4+-N濃度和擴(kuò)散通量呈現(xiàn)一致的趨勢(shì)，且最初90 d極易受SPM的影響。

總結(jié)

通過(guò)將SPM加入到疏浚組中，研究了SPM對(duì)N交換的影響。疏浚后的沉積物孔隙水NH4+-N濃度和流動(dòng)速率都顯著低于未疏浚沉積物，且氧氣的產(chǎn)生率和氧氣的滲透深度均高于未疏浚沉積物。疏浚沉積物的硝化螺菌屬（Nitrospira）的豐度增加與NH4+-N濃度和流動(dòng)速率降低結(jié)果一致。因此，在有氧條件下，疏浚后沉積物-水界面氧氣的生產(chǎn)和消耗速率以及Nitrospira相對(duì)豐度的增加與低氮交換率有關(guān)。因此，通過(guò)疏浚河道降低河道口區(qū)域內(nèi)的氮負(fù)荷是可行的，但要達(dá)到長(zhǎng)期維持內(nèi)部低N負(fù)荷的目標(biāo)還應(yīng)考慮河流SPM的影響。