湿地生态系统脱氮过程的植物调控机制

氮是引起水体富营养化的关键生源要素之一。近年来,全球水体富营养化问题依然突出,开展水体氮削减过程及机理研究具有重要意义。被称为“地球之肾”的湿地生态系统具有氮吸收、转化和截留等功能,作为主要初级生产者的湿地植物在其中发挥着重要作用。在分析湿地生态系统脱氮过程的基础上,重点从植物种类及多样性、根系分泌物、植物凋落物等方面阐述了植物调控湿地生态系统脱氮过程的机制,并对未来需要重点关注的问题进行了展望。建议从植物氮偏好性、植物多维多样性、植物-微生物群落相互作用、根系分泌物不同组分、脱氮过程产物组成等方向进一步深入深究脱氮过程的植物调控机制,为湿地生态系统削减氮污染提供理论依据和技术指导。

西藏高原湿地植物和土壤细菌多样性及其影响因素分析

植物和微生物是湿地生态系统的主要组成部分,也是其能量流动和物质循环的重要驱动力。了解湿地植物和土壤微生物的多样性及其关键影响因子,对于维持湿地生态系统的结构和功能有重要意义。本研究对西藏高原26个湿地进行野外调查和实验室分析,以揭示湿地植物与土壤细菌多样性的关系,明确影响植物多样性和土壤细菌多样性的关键因子。结果显示,植物群落特征与土壤细菌多样性显著相关,但驱动土壤细菌多样性变异的主要因素是环境因子而非植物。植物多样性的变异主要受土壤电导率影响,而细菌多样性的变异则与海拔、年降水量、土壤pH值以及植物功能性状(叶片总氮和总碳)相关。

不同菜地土壤的铁氨氧化脱氮过程探究

采集了不同菜地的土壤,分析其理化性质.采用同位素示踪技术测定了铁氨氧化、反硝化和厌氧氨氧化的速率,运用Miseq高通量测序技术探究了菜地土壤的群落组成.结果表明,铁氨氧化速率在种植蔬菜的土壤显著高于裸地的土壤,并且铁氨氧化速率与土壤Fe(Ⅲ)(r=0.736,P<0.05)和总有机碳(r=0.575,P<0.05)均有显著的正相关.另外,在不同菜地中5种主要的铁还原菌(芽孢杆菌属,假单胞菌属,嗜酸菌属,脂环酸芽孢杆菌属,梭状芽胞杆菌属)被检测到,并且铁还原菌的相对丰度在种植蔬菜的土壤(1.38%~2.19%)比在裸地的土壤(0.75%)高.在脱氮贡献方面铁氨氧化,反硝化和厌氧氨氧化分别贡献了7 3%~12.4%,53.1%~72.3%和18.9%~36.4%的氮气产生,说明铁氨氧化是菜地中重要的微生物脱氮路径.

校园河道生态修复规划设计探讨——以三峡大学求索溪为例

针对三峡大学校园河道求索溪水体污染严重以及水生态景观残缺的现状,在实地调查和监测的基础上因地制宜地提出了"外源污染削减—底泥微生物修复—植物强化过滤带构建—河道水生态系统构建及景观优化—生态河道管理及维护"的校园河道生态修复治理思路和模式.介绍了该模式的设计理念和原则,在工程规划中提出了截污及补水、底泥微生物修复、水生植物修复、护岸的生态改造等具体工程,并给出了部分工程平面布置及效果图.该项研究拟为三峡大学及类似的校园河道生态修复工程研究与实践提供参考.

伊乐藻-高效脱氮微生物协同作用对污染水体氮素脱除机制的影响

在入贡湖河道亲水河采集上覆水、伊乐藻及底泥柱芯样品进行室内实验,探究伊乐藻与固定化高效脱氮微生物协同作用下脱除铵态氮的机制,以及对污染水体的生态修复效果.运用^(15)N同位素配对技术及高通量测序技术,研究了4个不同处理组中NH_4^+的转化机制,其中,处理组A:裸泥组,处理组B:固定化高效脱氮微生物,处理组C:伊乐藻,处理组D:固定化高效脱氮微生物+伊乐藻.结果表明,氮素脱除主要有底泥存储、伊乐藻吸收及微生物过程(反硝化和厌氧氨氧化)这3种途径.在添加沉水植物伊乐藻的处理组C和D中,伊乐藻对^(15)NH_4^+吸收率分别为25.44%和19.79%.不同处理组中底泥对^(15)NH_4^+存储率分别为7.94%、5.52%、6.47%和4.86%,微生物过程以气体形式释放的^(15)NH_4^+分别为16.06%、28.86%、16.93%和33.09%.反硝化和厌氧氨氧化是产生含氮素气体的主要过程,对于处理组D,脱氮微生物丰度和多样性均得到不同程度的提升.4个不同处理组对^(15)NH_4^+的总去除率分别为24%、34.38%、48.84%和57.74%,伊乐藻与高效脱氮微生物联用技术(EINCB)的应用,可以提高水体氮素的脱除速率,促进污染水体的净化.

河岸带表层土壤的铁氨氧化(Feammox)脱氮机制的探究

厌氧氨氧化耦合三价铁还原(称为铁氨氧化)是最近发现的一种新的氮循环路径.然而,很少有研究报道河岸带的氮素铁氨氧化路径.本研究采用同位素示踪技术和高通量测序技术,证明了铁氨氧化在河岸带表层土壤(0~20 cm)的存在.结果表明,铁氨氧化过程能够在河岸带4个不同土壤层(A:0~5 cm,B:5~10 cm,C:10~15 cm,D:15~20 cm)发生,铁氨氧化的速率范围介于0.25~0.29 mg·(kg·d)^(-1)之间,其中B土壤层铁氨氧化速率显著高于其它土层(P<0.05).此外,铁还原菌与铁氨氧化密切相关,地杆菌属(Geobacter)和厌氧黏细菌(Anaeromyxobacter)作为铁还原菌在4个土壤层均被检出.在B土壤层中,铁还原菌(Anaeromyxobacter和Geobacter)的丰度显著高于其它土壤层(P<0.05).总之,厌氧氨氧化耦合三价铁还原共同发生表明铁氨氧化是河岸带氮素去除的一条重要路径.

宛山荡农田土壤氮迁移过程反硝化与厌氧氨氧化

为探究中国南方农田土壤氮迁移过程的反硝化与厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation,ANAMMOX)速率变化和脱氮贡献本研究采集宛山荡麦稻轮作区农田不同层深土壤及农田、沟道、河岸带和湖泊沉积物等不同土地利用类型土壤样品,分析其理化性质采用Illumina MiSeq测序和实时荧光定量PCR (quantitative real-time PCR,qPCR)技术探究土壤样品的微生物群落组成和功能基因丰度应用同位素培养实验测定各样品的潜在反硝化与厌氧氨氧化速率(以N2计,下同).结果表明,土壤反硝化速率与TOC、NH4+-N和NO3--N含量均显著正相关(P<0.05),与nirS、nirK及nosZ等功能基因丰度亦呈显著正相关(P <0.05).农田表层土壤反硝化速率为(11.51±1.04) nmol·(g·h)-1,显著高于农田其他土壤层以及其他土地利用类型(P <0.05),而农田土壤中厌氧氨氧化速率在20~30 cm层最高,达到(0.48±0.07) nmol·(g·h)-1.此外,反硝化作用是农田表层土壤氮损失的主要原因,占91.9%~99.7%,而厌氧氨氧化在深层土壤N2的产生过程中占有重要地位.

蓝藻暴发对太湖梅梁湾底泥中铁氨氧化速率的影响

作为近年来新发现的氮循环过程,铁氧化物还原耦合氨氧化(Feammox)越来越受到人们的关注.然而,目前鲜有研究报道蓝藻暴发对湖泊底泥中铁氨氧化速率的影响.因此,本研究采集了湖泊聚藻区和无藻区的底泥,对其理化性质进行分析,同时利用稳定同位素示踪技术测定了铁氨氧化速率,并运用高通量测序技术探究了底泥的微生物群落组成.结果表明,无藻区底泥的铁氨氧化速率为0.29 mg·kg^-1·d^-1,显著高于聚藻区底泥(0.01~0.05 mg·kg^-1·d^-1),而且铁氨氧化速率与pH、Fe(III)和TOC(总有机碳)均具有显著的相关性(p<0.05).此外,高通量测序结果表明,在不同底泥中6种主要的铁还原菌(Thiobacillus、Geobacter、Desulfobacca、Pseudomonas、Anaeromyxobacter和Desulfosporosinus)被检测到,并且铁还原菌的丰度在无藻区底泥中为5.65%,比在聚藻区底泥(3.25%~4.44%)中的高.总之,本研究结果说明蓝藻暴发会减弱湖泊底泥中的铁氨氧化反应.

农田沟道土壤中锰氨氧化(Mn-ANAMMOX)过程的探究

二氧化锰介导的厌氧氨氧化(锰氨氧化)是最近发现的一种新型微生物脱氮途径,然而很少有研究报道农田沟道中的锰氨氧化过程和反应过程中主要微生物群落锰还原菌.本研究经过340 d锰还原菌富集培养实验,采用同位素示踪技术和高通量测序技术,证实了锰氨氧化在农田沟道土壤中的存在.结果表明,在锰氨氧化过程中可以观察到氨氮的氧化和MnO_2的还原,以及NO_2^-、NO_3^-、^(30)N_2和Mn^(2+)的产生,锰氨氧化平均速率为2. 88 mg·(kg·d)^(-1),氨氮平均去除率为20%,总氮去除率平均可达15%.另外,高通量测序结果表明,经过340 d富集培养实验,在门水平上锰还原菌丰度从原来的27%增加到了70%,其主要的锰还原菌为不动杆菌(Acinetobacter)和地发菌属(Geothrix),相对丰度分别为26. 63%和4. 07%.实验结果证实了农田沟道中存在二氧化锰介导的厌氧氨氧化过程,可以认为锰氨氧化是微生物脱氮过程的一条重要路径.