新生河道型湖泊沉积物中的氮和溶解性有机质赋存形态及微生物群落特征

论文摘要

随着城市扩建,一些小型湖泊成为了城市景观湖泊、天然河道转变为人工控制湖库,这些改变导致部分新建湖库出现富营养化问题。随着湖库治理的不断深入,沉积物的内源污染问题日渐凸显。有机质和碳、氮养分与微生物活动紧密相关,共同参与界面的各种关键物理、化学以及生物过程,伴随着它们自身化学组成和结构的变化,相互间也存在着耦合关系。为改善新建湖库出现水质下降和富营养化问题的现状,有必要探究湖库生态系统沉积物-水界面碳和氮的赋存特征以及其生物地球化学循环过程。针对新生河道型湖泊——龙景湖存在的内源氮负荷及贡献不清,溶解性有机质（DOM）以及微生物群落组成结构相关研究存在的空白,根据底泥的沉积背景将沉积物划分为原库区、新淹没底部和边坡区域并进行分区评价,利用常规水质监测,氮分级浸取方法,平行因子分析（PARAFAC）,变性梯度凝胶电泳（DGGE）和高通量测序技术,系统评估了龙景湖不同区域沉积物氮的污染负荷和源/汇特性,分析了可转化态氮（TF-N）的主要赋存形态和溶解性有机质的荧光组分构成以及其空间分布规律。另外,探讨了原库区和新淹没底部沉积物中环境因子对细菌和古菌群落组成和结构的影响,并在此基础上,构建了氮与甲烷代谢的概念模型。主要研究内容与结论如下:（1）分析了龙景湖各分区中不同形态氮的分布特征,确定沉积物-水界面无机氮的源/汇特性,并估算氮的扩散通量大小及年负荷贡献:1)结合上覆水和孔隙水中不同形态氮浓度的垂向分布特征以及Fick定律,龙景湖沉积物均表现为NH4+-N的“源”,扩散通量的范围为0.487.10mg?（m2?d）-1,不同沉积背景区域的NH4+-N扩散通量排序为:原库区>新淹没底部>新淹没边坡。各分区沉积物-水界面NO3--N的扩散通量数值较小且表现形式较为复杂,范围为-0.280.31 mg?（m2?d）-1,其中原库区沉积物表现为NO3--N的“源”,而新淹没底部和边坡沉积物均表现为NO3--N的“汇”。总体而言,龙景湖各区域沉积物向上覆水体的NH4+-N扩散通量大于NO3--N向沉积物的沉积通量,龙景湖沉积物整体上依然表现为无机氮的“源”。2)龙景湖表层沉积物中总氮（TN）含量均表现为原库区（5265 mg/kg）>新淹没底部（3390 mg/kg）>新淹没边坡（1545 mg/kg）。根据沉积物中TN含量进行评估,原库区和新淹没底部沉积物处于重度污染水平,富营养化的风险较大,而新淹没边坡沉积物处于轻度污染状态。采用分级浸取法测定沉积物的氮形态,表层沉积物中TF-N为TN的主要存在形态,各形态氮含量的排序为残渣态氮（Res-N,1332 mg/kg）>强氧化剂浸取态氮（SOEF-N,984mg/kg）>强碱浸取态氮（SAEF-N,447 mg/kg）>离子交换态氮（IEF-N,240 mg/kg）>弱酸浸取态氮（WAEF-N,46 mg/kg）。（2）主要采用紫外-可见光光谱（UV-Vis）和三维荧光光谱等光谱学手段,分析不同沉积类型（原库区、新淹没底部和边坡）龙景湖沉积物孔隙水中DOM的荧光组分和光谱学特性:1)龙景湖表层沉积物有机质含量较高,含量范围为1.088.90%,平均值为5.09±2.25%,各分区排序为原库区>新淹没底部>新淹没边坡。表层水、沉积物上覆水和孔隙水DOC的平均浓度分别为22.72±0.51、23.14±1.37、53.70±16.61 mg/L,呈由表层水体向底层沉积物升高的变化趋势。各分区上覆水和表层孔隙水的DOC浓度排序与沉积物有机质一致,原库区、新淹没底部和边坡的DOC浓度分别为65.05、45.76和33.93 mg/L,约为相应上覆水的2.7、1.9和1.6倍,均存在DOC从沉积物向上覆水扩散的现象。2)龙景湖光谱参数的变化规律表明,孔隙水中DOM的芳香性和腐殖化程度高于相应的上覆水和表层水,底界面可能发生低分子量DOM从沉积物向上覆水体迁移。上覆水和孔隙水中DOM以生物源为主,且原库区沉积物较新淹没区自生源特性更明显。随着沉积物深度的增加,自生源组分所占比重逐渐降低。3)利用平行因子分析模型,识别出表层水、上覆水和孔隙水中FDOM主要由4种荧光组分组成:陆源性类腐殖质组分C1（<225,415）和C3（260/360,445）;类蛋白组分C2（<225/275,330）和微生物源类腐殖质组分C4（255/295,385）。不同区域的优势荧光组分不同,表层水、新淹没区上覆水以及边坡孔隙水以陆源为主(C1占FTot的37%),而原库区上覆水和孔隙水以及新淹没底部孔隙水以自生源为主(C2占FTot的40%)。（3）利用基于16S rRNA的变性梯度凝胶电泳（DGGE）和Illumina MiSeq高通量测序技术,分析了龙景湖原库区和新淹没底部沉积物中细菌和古菌的群落多样性和结构特征,并探讨了荧光组分和环境因素对微生物群落组成和分布的影响:1)DGGE结果表明龙景湖原库区沉积物的细菌群落多样性较新淹没底部高。原库区表层沉积物中细菌多样性最高,从表层至深层多样性指数呈先下降后上升的趋势,与丰度和均匀度变化规律一致。高通量测序结果较DGGE能够获取更多的测序信息,细菌种类归属于47个门,87个纲,150个目,232个科及317个属。整体上,沉积物中细菌以变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌、疣微菌门（Verrucomicrobia）和浮霉菌门（Planctomycetes）为主,约占细菌总丰度的58.3%71.2%。其他的优势门分别为螺旋菌门（Spirochaetae,4.12%5.21%）、蓝细菌门（Cyanobacteria,1.77%5.03%）等。沉积物中古菌均以广古菌门（Euryarchaeota）为主。2)高通量测序结果表明,原库区表层沉积物以变形菌、拟杆菌和疣微菌门为主,中层以变形菌、疣微菌和绿弯菌为主,深层以绿弯菌、变形菌和拟杆菌为主。新淹没底部的表层以变形菌、拟杆菌和浮霉菌门为主,中层与原库区相应层一致。此外,蓝细菌门、厚壁菌门、Parcubacteria、Latescibacteria主要分布于原库区沉积物的表层,而Acetothermia和绿菌门主要在中层富集。原库区和新淹没底部表层沉积物中的古菌均以Methanoregula为主,丰度沿垂向递减,中层和深层以甲烷鬃菌属（Methanosaeta）为主。3)微生物群落结构与环境变量的相关分析表明,龙景湖沉积物中的细菌多与有机质的降解有关,细菌群落结构和分布受全氮、全硫含量、粒径等的影响。有机质的芳香化程度与绿弯菌门、Acetothermia门更为相关,即随着深度的增加,绿弯菌门、Acetothermia门的丰度变大,这与之前的群落分析一致。Dehalococcoidia与荧光组分C4正向最为接近,C4的产生很可能与Dehalococcoidia的生理代谢有关。另外,将高通量测序技术与KEGG功能预测相结合,构建了龙景湖沉积物中甲烷与氮代谢耦合的概念模型:物质通过甲酸盐流通,电子通过呼吸过程进行转移。

论文目录

中文摘要

英文摘要

缩略语对照表

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.2 湖库中氮研究进展

1.2.1 湖库中氮迁移转化过程概述

1.2.2 沉积物-水界面氮的扩散通量研究现状

1.2.3 沉积物中氮赋存形态的研究现状

1.3 湖泊沉积物中有机质研究进展

1.3.1 湖泊中有机质迁移转化过程概述

1.3.2 溶解性有机质（DOM）光谱学特性

1.3.3 荧光指纹图谱在DOM源解析中的应用

1.4 湖泊沉积物中微生物类群研究进展

1.4.1 沉积物中微生物多样性研究现状

1.4.2 湖泊沉积物中碳和氮的耦合机制

1.5 研究目的和研究内容

1.5.1 研究目的

1.5.2 研究内容

1.5.3 技术路线

1.5.4 课题来源

2 研究区域及研究方法

2.1 园博园龙景湖概况

2.1.1 龙景湖简介

2.1.2 龙景湖分区

2.2 研究方法

2.2.1 采样点的生态环境特征

2.2.2 样品采集与预处理

2.2.3 样品分析方法

2.2.4 微生物学测试方法

2.3 数据预处理与分析方法

2.3.1 沉积物-水界面扩散通量估算方法

2.3.2 DOM的数据分析

2.3.3 DGGE生物统计学分析

2.3.4 高通量生物统计学分析

2.4 实验试剂与仪器

2.4.1 实验试剂

2.4.2 实验仪器

3 龙景湖氮的赋存形态及界面扩散通量

3.1 上覆水和孔隙水中各形态氮的赋存特征

3.1.1 上覆水中氮的空间赋存差异

3.1.2 孔隙水中氮的空间赋存差异

3.2 沉积物-水界面可交换态氮的扩散通量

3.2.1 氨氮的扩散通量

3.2.2 硝氮的扩散通量

3.2.3 氨氮和硝氮的年负荷贡献量

3.3 沉积物中各形态氮的赋存特征

3.3.1 表层沉积物中各形态氮的空间分布

3.3.2 不同深度沉积物中各形态氮的空间分布

3.4 本章小结

4 龙景湖有机质变化及其光谱学表征

4.1 龙景湖有机质的变化特征

4.1.1 表层水、上覆水孔隙水DOC浓度的空间异质性

4.1.2 表层沉积物中有机质含量的空间异质性

4.2 龙景湖DOM的紫外-可见光谱特征

4.3 龙景湖DOM的荧光光谱表征

4.3.1 DOM的荧光参数分布特征

4.3.2 基于PARAFAC分析的DOM的荧光组分

4.3.3 DOM荧光组分的空间异质性

4.4 龙景湖有机质变化的影响因素分析

4.4.1 表层沉积物中有机质与各形态氮的相关性

4.4.2 DOM荧光组分的潜在影响因素

4.5 本章小结

5 龙景湖沉积物细菌和古菌群落组成与结构研究

5.1 沉积物理化性质

5.2 细菌和古菌群落的丰度及多样性变化规律

5.2.1 细菌丰度及多样性指数分析

5.2.2 古菌丰度及多样性指数分析

5.3 细菌和古菌群落组成

5.3.1 细菌群落组成

5.3.2 古菌群落组成

5.4 细菌和古菌群落结构分析

5.4.1 细菌群落结构的空间变化

5.4.2 古菌群落结构的空间变化

5.4.3 功能微生物群落组成及分布特征

5.5 细菌群落结构与环境因子的关联分析

5.5.1 基于DGGE技术的相关性分析

5.5.2 基于高通量测序技术的相关性分析

5.6 龙景湖沉积物功能微生物组成及碳氮代谢耦合初步研究

5.6.1 微生物群落氮代谢途径解析

5.6.2 微生物群落甲烷代谢途径解析

5.6.3 沉积物中甲烷与氮代谢耦合机制初步分析

5.7 本章小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

6.3 创新点

参考文献

附录

A 攻读博士学位期发表的学术论文

B 学位论文数据集

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 牛凤霞

导师: 吉芳英

关键词: 景观湖,沉积物,氮形态,溶解性有机质,微生物群落组成

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 重庆大学

基金: 国家水体污染控制与治理科技重大专项—重庆两江新区城市水系统构建技术研究与示范(2012ZX07307-001),重庆市研究生科研创新项目(CYB15041)

分类号: X524;X172

总页数: 160

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