河流水資源是生態(tài)系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)，尤其在農(nóng)業(yè)和城市發(fā)展中扮演著關(guān)鍵角色。隨著人類(lèi)活動(dòng)的增加，水體污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氮）的過(guò)量輸入導(dǎo)致了水體富營(yíng)養(yǎng)化，進(jìn)一步引發(fā)了水生態(tài)系統(tǒng)的退化。四川中部丘陵區(qū)的紫色土因其特性，易發(fā)生水土流失，導(dǎo)致污染物隨徑流進(jìn)入水體，影響水質(zhì)和生態(tài)健康。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，地方政府實(shí)施了沉積物清淤措施，通過(guò)去除沉積物中積累的污染物來(lái)改善水質(zhì)。然而，沉積物的清淤會(huì)導(dǎo)致河流系統(tǒng)內(nèi)源氮釋放的變化，隨著外源氮的持續(xù)輸入，引起水體氮的動(dòng)態(tài)變化，河流生態(tài)系統(tǒng)的自然平衡遭到破壞，重塑微生物群落，影響其功能和氮循環(huán)過(guò)程。因此，深入理解清淤對(duì)沉積物-水界面氮交換及水生微生物群落的影響對(duì)研究氮轉(zhuǎn)化過(guò)程至關(guān)重要。

本研究旨在評(píng)估沉積物清淤前后對(duì)水質(zhì)的長(zhǎng)期影響，闡明氮?jiǎng)討B(tài)變化與氮轉(zhuǎn)化的微生物機(jī)制，并分析影響氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)境因素。本研究采用穩(wěn)定同位素和微生物宏基因組技術(shù)相結(jié)合，突破了流域和微環(huán)境的尺度限制，全面評(píng)估清淤對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)氮?jiǎng)討B(tài)、微生物群落及功能的影響。

Unisense微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用來(lái)測(cè)量沉積物和水體中的溶解氧（DO）濃度和氧化還原狀態(tài)。測(cè)量三個(gè)沉積物柱用于測(cè)量水-沉積物剖面中的溶解氧（DO）濃度和氧化還原狀態(tài)（Eh），使用氧氣和氧化還原微電極測(cè)試完成。

研究結(jié)果

1、清淤對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)氮?jiǎng)討B(tài)的長(zhǎng)期影響清淤過(guò)程去除了沉積物中大量污染物，破壞了沉積物-水界面的氮平衡。清淤后，初期河水中總氮含量顯著減少，DO和pH水平顯著提高。利用mixSIAR模型計(jì)算沉積物對(duì)水體的貢獻(xiàn)，清淤有效的去除了部分來(lái)自肥料、牲畜糞便和污水的沉積物，δ18ONO3?與δ18OH2O之間的關(guān)系表明，水體中存在明顯的反硝化特征。隨著時(shí)間的增加，來(lái)自農(nóng)田和果園的大量外源氮負(fù)荷再次進(jìn)入河流。盡管清淤初期帶來(lái)了積極影響，外源氮輸入的持續(xù)增加最終導(dǎo)致河水氮含量上升。

2、清淤重塑了河流生態(tài)系統(tǒng)的微生物群落清淤后，氧化還原條件和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)變化，導(dǎo)致微生物的豐富度和多樣性顯著下降。河流水體和沉積物中分別減少了39個(gè)綱和10個(gè)綱，同時(shí)各出現(xiàn)了12個(gè)新綱。微生物類(lèi)群的多樣性和豐度變化導(dǎo)致功能貢獻(xiàn)發(fā)生顯著變化。在河流水體中，反硝化和DNRA過(guò)程顯著增加了1.0%和1.6%，在沉積物中，反硝化和硝化分別顯著增加了1.7%和0.2%。盡管微生物種類(lèi)學(xué)上發(fā)生了變化，但微生物群落在清淤后功能的變化有限，河流系統(tǒng)對(duì)清淤等外部干擾表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。

3、清淤顯著影響氮還原的微生物機(jī)制清淤后，河水和沉積物中的反硝化和DNRA過(guò)程顯著增加，主要體現(xiàn)在nosZ等基因及其相關(guān)氧化還原酶（1.7.2.4）、norBC（1.7.2.5）和narGHI等功能基因的豐度顯著增加。另外，有機(jī)碳的可用性在決定反硝化與DNRA之間的效率分配中起著關(guān)鍵作用。清淤后，水體DOC/NO3?-N和沉積物中SOC/NO3?-N比率均有提高，表明DNRA相對(duì)于反硝化過(guò)程去除硝酸鹽的效率更高。清淤顯著影響微生物氮的還原機(jī)制，建立了氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能酶之間新的平衡關(guān)系。

結(jié)論

這項(xiàng)研究揭示了清淤對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)氮?jiǎng)討B(tài)的即時(shí)和長(zhǎng)期影響，強(qiáng)調(diào)了微生物群落、微生物功能及其在氮轉(zhuǎn)化中所涉及的復(fù)雜性和相互作用。清淤打亂了河流的氮?jiǎng)討B(tài)和氧化還原條件，導(dǎo)致總氮和硝酸鹽氮濃度降低，溶解氧增加，同時(shí)提高了氮礦化和氨積累。微生物群落在清淤后功能的變化有限，河流系統(tǒng)對(duì)清淤等外部干擾表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。清淤后反硝化和DNRA過(guò)程顯著增強(qiáng)，建立了氮轉(zhuǎn)化相關(guān)功能酶之間的新平衡關(guān)系。盡管清淤科研有效的去除內(nèi)部氮負(fù)荷，但效果是短暫的，外源氮的持續(xù)輸入對(duì)河水的氮含量仍造成威脅，清淤的長(zhǎng)期效果依賴(lài)于對(duì)外源氮輸入的管理。最終，河流系統(tǒng)會(huì)逐漸恢復(fù)到最初的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同氮轉(zhuǎn)化過(guò)程之間的再穩(wěn)定。

論文信息

本研究成果以“From reduction to rebalancing:Insights into the long-term effects of sediment dredging on nitrogen transformations in river ecosystems”為題發(fā)表在《Water Research》上，該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（42107083）等項(xiàng)目資助。