Nitrogen removal enhanced by benthic bioturbation coupled with biofilm formation: A new strategy to alleviate freshwater eutrophication  

底棲生物擾動(dòng)耦合生物膜形成增強(qiáng)氮去除：緩解淡水富營(yíng)養(yǎng)化的新策略  

來源：Journal of Environmental Management 292 (2021) 112814

《環(huán)境管理雜志》第292卷（2021年）文章編號(hào)112814

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出，沉積物中的氮污染是淡水富營(yíng)養(yǎng)化難以控制的關(guān)鍵原因。傳統(tǒng)物理化學(xué)技術(shù)（如疏浚和覆蓋）易破壞水生棲息地。本研究結(jié)合底棲生物（搖蚊幼蟲）的生物擾動(dòng)功能和生物膜技術(shù)，驗(yàn)證其對(duì)沉積物及上覆水中氮的協(xié)同去除效果。結(jié)果顯示，耦合處理組（SCB）的總氮去除量顯著高于單一功能組（僅生物擾動(dòng)或僅生物膜），其平均效率是對(duì)照組（無搖蚊和生物膜）的3.19倍。搖蚊擾動(dòng)促進(jìn)沉積物氮釋放至上覆水，而生物膜加速了氮的轉(zhuǎn)化和去除，同時(shí)增加了沉積物和生物膜中反硝化及厭氧氨氧化功能菌豐度。該策略為減少淡水生態(tài)系統(tǒng)沉積物氮負(fù)荷提供了可行方案。  

 

研究目的：  

驗(yàn)證底棲生物擾動(dòng)與生物膜技術(shù)的耦合能否協(xié)同增強(qiáng)淡水系統(tǒng)沉積物和上覆水的氮去除效率，并探究其微生物機(jī)制。  

 

研究思路：  

1. 設(shè)計(jì)四組微宇宙實(shí)驗(yàn)：對(duì)照組（S）、搖蚊擾動(dòng)組（SC）、生物膜組（SB）、耦合組（SCB）。  

2. 通過35天實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)上覆水中氮形態(tài)動(dòng)態(tài)變化（TN、NH??、NO??、NO??）及沉積物氮含量。  

3. 分析沉積物溶解氧剖面、溶解性有機(jī)碳（DOC）及微生物群落結(jié)構(gòu)（16S rRNA基因測(cè)序）。  

4. 量化反硝化（nirS基因）和厭氧氨氧化（hzsB基因）功能菌豐度。  

5. 結(jié)合氮質(zhì)量平衡計(jì)算和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，評(píng)估耦合技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 上覆水氮形態(tài)濃度（圖2）  

   ? 意義：動(dòng)態(tài)反映生物擾動(dòng)對(duì)氮釋放的促進(jìn)（如SC組初期TN升高）及生物膜對(duì)氮轉(zhuǎn)化的加速（如SCB組后期TN最低）。  

 

2. 沉積物總氮濃度（圖3b）  

   ? 意義：直接體現(xiàn)耦合技術(shù)對(duì)沉積物氮負(fù)荷的削減效果（SCB組沉積物TN顯著低于對(duì)照組）。  

 

3. 沉積物-水界面溶解氧（DO）剖面（圖4a）  

   ? 意義：揭示搖蚊擾動(dòng)擴(kuò)大好氧-厭氧界面的機(jī)制（SC/SCB組DO滲透深度2.9 mm > SB/S組2.1 mm）。  

 

4. 微生物功能基因豐度（圖6）  

   ? 意義：解釋氮去除增強(qiáng)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制（SCB組沉積物+生物膜的nirS+hzsB基因總量顯著高于其他組）。  

 

5. 溶解性有機(jī)碳（DOC）濃度（圖4b）  

   ? 意義：闡明碳源對(duì)反硝化的影響（SC組上覆水DOC最高，為反硝化提供基質(zhì)）。  

 

6. 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性（圖5）  

   ? 意義：說明生物膜載體增加微生物空間異質(zhì)性（生物膜中特有OTUs數(shù)量高于沉積物）。  

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用丹麥Unisense微電極（OX-25型）以100μm垂直分辨率測(cè)量沉積物溶解氧（DO）剖面（圖4a）。其研究意義在于：  

1. 量化生物擾動(dòng)對(duì)氧化還原界面的影響：搖蚊幼蟲活動(dòng)顯著增加沉積物DO滲透深度（SC/SCB組2.9 mm vs. SB/S組2.1 mm），證明生物擾動(dòng)通過擴(kuò)大好氧-厭氧過渡區(qū)，為反硝化和厭氧氨氧化菌創(chuàng)造更多微生境。  

2. 揭示氮轉(zhuǎn)化機(jī)制的物理基礎(chǔ)：高分辨率DO數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)生物擾動(dòng)行為與微生物氮去除效率的因果關(guān)系，為"生物擾動(dòng)促進(jìn)氮循環(huán)"提供原位證據(jù)。  

 

結(jié)論：  

1. 協(xié)同增效：搖蚊擾動(dòng)與生物膜耦合（SCB）的TN去除效率（11.7%）顯著高于單一處理（SC組為對(duì)照的2.85倍，SB組為1.92倍），達(dá)對(duì)照組的3.19倍。  

2. 作用機(jī)制：搖蚊擾動(dòng)促進(jìn)沉積物氮釋放并提供微生物碳源，生物膜加速氮轉(zhuǎn)化并富集功能菌（反硝化菌nirS基因和厭氧氨氧化菌hzsB基因豐度增加）。  

3. 應(yīng)用價(jià)值：該策略通過保護(hù)底棲生物棲息地（如搖蚊）和增加生物膜載體以維持生境異質(zhì)性，可恢復(fù)淡水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，緩解富營(yíng)養(yǎng)化。