2018-01-31
最近，派森諾生物和中國科學院南京地理與湖泊研究所合作，利用高通量測序等技術，對沉積物——水環境系統中，氮元素交換和河流懸浮顆粒物之間的關系進行了研究，成果順利發表于SCI期刊《Environmental Pollution》（影響因子：5.099）。
背景介紹
在水生環境中，由于浮游生物殘骸的堆積，過量的N通常集中在懸浮微粒物質（SPM）中；大部分的SPM都沉積在底部河床上，因此，成為N的內部來源；沉積物中氮的增加促進了有害藻類的生長并加劇藻類泛濫。因此，控制和減少內部的N負荷對控制湖泊的富營養化是至關重要的。
污染河流的SPM可能是影響疏浚結果的關鍵外部因素，然而，對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藻利用，且氨對某些大型水生脊椎動物是有毒的，因此是河流生態的主要關注對象。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系，旨在為改善類似領域的疏浚工程提供有價值的信息。
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因
實驗對象：巢湖嚴重污染區的沉積物
實驗設計：將巢湖沉積物取回后，立即在25 cm深度處模擬疏浚過程，分為6組
(1) U，未疏浚組，不添加SPM
(2) U+DP，未疏浚組，添加滅菌的SPM
(3) U+FP，未疏浚組，添加未滅菌的SPM
(4) D，疏浚組，不添加SPM
(5) D+DP，疏浚組，添加滅菌的SPM
(6) D+FP，疏浚組，添加未滅菌的SPM
實驗處理
新鮮的SPM先60 oC干燥24 h，然后121oC滅菌30 min，以獲得無菌的SPM。新鮮的SPM和無菌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分析。
實驗結果
未疏浚組（U，U+DP，U+FP）沉積物的TN濃度相似且穩定，遠高于疏浚組。SPM沉降到沉積物表面對未疏浚組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的沉積對不穩定NH4+-N濃度無明顯影響，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生/消耗速率（OPR）。D組的OPR在整個實驗進程中都近似為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(或氧化還原環境)在N素交換中起著重要作用；因此，SPM對OPR和氧氣滲透深度（OPD）的影響將對沉積物-水界面的N交換產生顯著的潛在影響。
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的持續釋放是造成這一現象的原因。之后（>120 d），NH4+-N濃度持續升高，但未疏浚組遠高于疏浚沉積物，夏季和冬季（150-330 d）尤為明顯。
NH4+-N擴散通量前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，低的OPRs（主要是耗氧）和OPD意味著增加的擴散通量與沉積物-水界面的高耗氧量有關。疏浚0-120 d，沉積物孔隙水中NH4+-N濃度的降低，促進了NH4+-N擴散通量的降低。此外，SPM的沉積對疏浚組NH4+-N擴散通量無顯著影響。
由物種組成可知，初始疏浚（0 d），在門水平，Proteobacteria、Firmicutes和Nitrospirae的相對豐度高于未疏浚組；隨著實驗進程，Bacteroidetes和Planctomycetes的相對豐度增加，與未疏浚組（270 d）相似。但Firmicutes的相對豐度在90 d內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的相對豐度呈現出先降低（0-90 d）后增加（180-270 d）再降低至第360天水平的趨勢。
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。通過對SPM沉積疏浚后，可以基于以下幾個方面考慮：
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。此外，NH4+-N擴散通量和OPD呈顯著負相關（p<0.001），進一步證實了氧化還原能力與N交換的關系。
再次，Nitrospirae相對豐度變化較大，與孔隙水中NH4+-N濃度和擴散通量呈現一致的趨勢，且90 d易受SPM的影響。
總結
通過將SPM加入到疏浚組中，研究了SPM對N交換的影響。疏浚后的沉積物孔隙水NH4+-N濃度和流動速率都顯著低于未疏浚沉積物，且氧氣的產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濃度和流動速率降低結果一致。因此，在有氧條件下，疏浚后沉積物-水界面氧氣的生產和消耗速率以及Nitrospira相對豐度的增加與低氮交換率有關。因此，通過疏浚河道降低河道口區域內的氮負荷是可行的，但要達到長期維持內部低N負荷的目標還應考慮河流SPM的影響。
