河流水資源是生態系統健康的基礎，尤其在農業和城市發展中扮演著關鍵角色。隨著人類活動的增加，水體污染問題日益嚴重，營養物質（如氮）的過量輸入導致了水體富營養化，進一步引發了水生態系統的退化。四川中部丘陵區的紫色土因其特性，易發生水土流失，導致污染物隨徑流進入水體，影響水質和生態健康。為了應對這一問題，地方政府實施了沉積物清淤措施，通過去除沉積物中積累的污染物來改善水質。然而，沉積物的清淤會導致河流系統內源氮釋放的變化，隨著外源氮的持續輸入，引起水體氮的動態變化，河流生態系統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過程。因此，深入理解清淤對沉積物-水界面氮交換及水生微生物群落的影響對研究氮轉化過程至關重要。

本研究旨在評估沉積物清淤前后對水質的長期影響，闡明氮動態變化與氮轉化的微生物機制，并分析影響氮轉化的關鍵環境因素。本研究采用穩定同位素和微生物宏基因組技術相結合，突破了流域和微環境的尺度限制，全面評估清淤對河流生態系統氮動態、微生物群落及功能的影響。


Unisense微電極研究系統的應用


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

研究結果


1、清淤對河流生態系統氮動態的長期影響清淤過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模型計算沉積物對水體的貢獻，清淤有效的去除了部分來自肥料、牲畜糞便和污水的沉積物，δ18ONO3?與δ18OH2O之間的關系表明，水體中存在明顯的反硝化特征。隨著時間的增加，來自農田和果園的大量外源氮負荷再次進入河流。盡管清淤初期帶來了積極影響，外源氮輸入的持續增加最終導致河水氮含量上升。

2、清淤重塑了河流生態系統的微生物群落清淤后，氧化還原條件和營養狀態變化，導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個綱和10個綱，同時各出現了12個新綱。微生物類群的多樣性和豐度變化導致功能貢獻發生顯著變化。在河流水體中，反硝化和DNRA過程顯著增加了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%。盡管微生物種類學上發生了變化，但微生物群落在清淤后功能的變化有限，河流系統對清淤等外部干擾表現出較強的適應性和穩定性。

3、清淤顯著影響氮還原的微生物機制清淤后，河水和沉積物中的反硝化和DNRA過程顯著增加，主要體現在nosZ等基因及其相關氧化還原酶（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，有機碳的可用性在決定反硝化與DNRA之間的效率分配中起著關鍵作用。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相對于反硝化過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制，建立了氮轉化相關功能酶之間新的平衡關系。


結論


這項研究揭示了清淤對河流生態系統氮動態的即時和長期影響，強調了微生物群落、微生物功能及其在氮轉化中所涉及的復雜性和相互作用。清淤打亂了河流的氮動態和氧化還原條件，導致總氮和硝酸鹽氮濃度降低，溶解氧增加，同時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，河流系統對清淤等外部干擾表現出較強的適應性和穩定性。清淤后反硝化和DNRA過程顯著增強，建立了氮轉化相關功能酶之間的新平衡關系。盡管清淤科研有效的去除內部氮負荷，但效果是短暫的，外源氮的持續輸入對河水的氮含量仍造成威脅，清淤的長期效果依賴于對外源氮輸入的管理。最終，河流系統會逐漸恢復到最初的平衡狀態，實現不同氮轉化過程之間的再穩定。


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”為題發表在《Water Research》上，該研究得到了國家自然科學基金（42107083）等項目資助。