Effect and microbial mechanism of suspended sediments particle size on nitrous oxide emission in eutrophic lakes

富營養化湖泊中懸浮沉積物粒徑對氧化亞氮排放的影響及微生物機制  

來源：Environmental Pollution, Volume 334, 2023, Article 122180  

《環境污染》第334卷，2023年，文章編號122180  

 

摘要內容

 

研究通過野外調查和實驗室微宇宙系統，揭示了富營養化湖泊中懸浮沉積物（SPS）粒徑與N?O排放的關系及微生物機制。關鍵發現：  

野外相關性：湖泊N?O通量與營養狀態指數（TLI）呈指數正相關（R2=0.94, p<0.01），且與SPS粒徑顯著相關（圖2）。75-150μm粒徑SPS占比與N?O通量正相關（p<0.05），而>300μm粒徑占比負相關（p<0.05）。  

 

 

微宇宙實驗：75-150μm粒徑系統（S2）的N?O排放速率最高（5.94±0.007 μg N/L/d），是<75μm系統（S1）的2.6倍（圖3b）。>300μm系統（S4）的N?O還原速率（Vmax=6.78 μmol/L/h）是其他系統的16-50倍（圖3d，表3）。  

 

 

微生物機制：S2系統具有最高的(nirS+nirK)/nosZ比值（30.2），表明強N?O產生潛力；S4系統nosZ基因豐度最高（6.8×10? copies/ng），表明強N?O還原能力（圖6c,d）。共現網絡分析顯示，S2系統中反硝化菌（如Azohydromonas）主導合作網絡，促進N?O排放；S4系統中硝化菌（Nitrospira）與反硝化菌（SM1A02）協同促進N?O還原（圖5c）。  

 

 

 

 

研究目的

探究SPS粒徑與富營養化湖泊N?O排放的關聯性。  

 

闡明不同粒徑SPS影響N?O產生的微生物機制。  

 

量化SPS粒徑對N?O還原能力的影響。  

 

研究思路

野外調查：在長江中下游7個淺水湖泊（圖1a）測定N?O通量、水質參數及SPS粒徑分布（表1），分析其相關性（圖2）。  

 

 

 

實驗室微宇宙系統：構建4組平行系統，分別接種不同粒徑SPS（<75μm, 75-150μm, 150-300μm, >300μm）（圖1b,c），監測N?O排放動態（圖3a,b）及氮轉化參數。  

 

微生物分析：通過16S rRNA測序、功能基因（nirS, nirK, nosZ）定量及共現網絡（圖4-5），解析粒徑對微生物群落及功能的影響。  

 

 

Unisense電極驗證：直接測定溶解態N?O生成/還原速率（圖3c,d）。  

 

測量數據及研究意義

野外N?O通量與SPS粒徑（圖2）  

 

數據：N?O通量（0.64–26.64 μmol m?2 d?1）與TLI呈指數正相關（R2=0.97）；75-150μm粒徑占比與N?O通量正相關（r=0.62），>300μm占比負相關（r=-0.58）。  

 

意義：首次建立SPS粒徑分布與N?O排放的定量關聯，表明中等粒徑（75-150μm）是富營養湖泊N?O排放的關鍵載體。  

微宇宙系統N?O排放（圖3a,b）  

 

數據：S2系統（75-150μm）N?O平均排放速率最高（5.94 μg N/L/d），S4系統（>300μm）N?O還原速率Vmax最高（6.78 μmol/L/h）。  

 

意義：證實粒徑通過調控微生物代謝途徑影響N?O凈排放，為湖泊N?O模型提供參數依據。  

微生物群落與功能基因（圖4-6）  

 

數據：S2系統反硝化菌Azohydromonas相對豐度最高（10.79%），(nirS+nirK)/nosZ比值最大（30.2）；S4系統nosZ基因豐度最高（6.8×10? copies/ng）。  

 

意義：揭示粒徑通過改變微生物群落結構（如S4中Nitrospira與SM1A02協同）調控N?O還原能力，為N?O減排提供微生物靶點。  

 

結論

粒徑效應：75-150μm粒徑SPS是富營養湖泊N?O排放的主要貢獻者（排放速率最高），而>300μm粒徑SPS具有最強N?O還原能力（Vmax為其他系統的16-50倍）。  

 

微生物機制：  

 

中等粒徑（75-150μm）促進反硝化菌富集（如Azohydromonas），高(nirS+nirK)/nosZ比值導致N?O積累。  

 

大粒徑（>300μm）形成"硝化-反硝化"協同微環境：表層硝化菌（Nitrospira）提供NO??，內部反硝化菌（SM1A02）高表達nosZ基因實現N?O還原。  

環境意義：控制湖泊中75-150μm粒徑SPS的懸浮量可有效抑制N?O排放，而保護大粒徑SPS有助于增強N?O匯功能。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中使用的Unisense微電極系統（響應時間<1秒）直接測定了溶解態N?O的動態變化（圖3c,d）：  

高時空分辨率監測：  

 

實時記錄30分鐘內溶解N?O濃度變化（如S2系統N?O從0升至0.31 μmol/L），捕捉傳統氣袋采樣無法反映的瞬時過程（圖3c）。  

 

意義：揭示SPS表面微生物的快速代謝響應，證實75-150μm粒徑SPS具有最快N?O生成動力學。  

量化N?O還原能力：  

 

通過添加飽和N?O溶液（初始10 μmol/L），直接測定Vmax（如S4系統Vmax=6.78 μmol/L/h），結合米氏方程擬合獲得Km值（表3）。  

 

意義：首次量化不同粒徑SPS的N?O還原酶活性，證明>300μm粒徑系統具有超高底物親和力（Km=11.96 μmol/L），為N?O還原微生物篩選提供依據。  

驗證微生物機制：  

 

電極數據與基因分析一致：S4的高nosZ豐度（圖6d）直接對應其高Vmax（圖3d），而S2的高(nirS+nirK)/nosZ比值（圖6c）對應其N?O凈排放。  

 

意義：將微生物功能基因表達與實際代謝活性關聯，確證粒徑通過調控微生物群落功能影響N?O源/匯平衡。  

 

核心價值：Unisense電極實現了溶解態N?O生成/還原過程的原位、無損、高精度監測，克服了傳統培養法的時間滯后性，為水生系統N?O微生物代謝動力學研究提供了關鍵技術支撐。