摘要
蓝藻的光合作用和呼吸作用可以造成水体中溶解氧的昼夜变化，而这种厌氧/好氧交替变化的区域常被认为是铁-氮耦合循环脱氮的热点区域。可以推测，藻华暴发过程中，除传统反硝化、厌氧氨氧化等脱氮途径外，太湖湖体中存在着更多的脱氮途径，如厌氧铁氨氧化(Feammox)、硝酸盐依赖亚铁氧化(NDFO)等。因此，本论文以太湖不同时期、不同区域的沉积物为研究对象，利用高通量测序技术，探索沉积物中铁、氮赋存量以及相关细菌群落结构组成的时空分布特征，并通过室内培养实验，利用同位素示踪、高通量测序、X射线光电子能谱等技术探究蓝藻水华暴发期不同区域沉积物中Feammox、NDFO的脱氮潜力以及底物浓度对两个过程的影响。此外，通过向沉积物添加蓝藻干粉的方法，考察了蓝藻衰亡和降解对太湖沉积物中Feammox脱氮潜力的影响，主要结果如下: (1)野外调查结果显示，太湖不同区域的沉积物中均存在较高含量的活性Fe(Ⅱ)和活性Fe(Ⅲ),其中夏季太湖沉积物中活性Fe(Ⅱ)和活性Fe(Ⅲ)含量均显著高于冬季(P＜0.01),而空间上梅梁湾各形态铁含量均略高于开敞区，但是差异不显著(P＞0.05)。高通量测序结果表明，太湖不同时期、不同区域的沉积物中都存在着较高丰度的地杆菌(Geobacter)、硫杆菌(Thiobacillus)、厌氧粘细菌(Anaeromyxobacter)、陶厄氏菌属(Thauera)、Aromatoleum和盐单胞菌属(Halomonas)等铁、氮循环相关细菌，说明太湖沉积物具备铁-氮耦合循环的底物以及微生物条件。 (2)厌氧培养后，添加Fe(Ⅲ)和NH4+-N的处理组中沉积物表层颜色和形态的变化、NH4+-N、Fe(Ⅱ)、NO3--N浓度的变化以及铁还原菌相对丰度的增加证明了 Feammox反应的发生。Feammox过程中，Fe(Ⅲ)浓度的增加有利于提高Feammox反应速率，但高浓度的NH4+-N对Feammox反应可能有抑制作用。同位素培养实验结果显示，太湖沉积物中Feammox的脱氮速率可以达到反硝化脱氮速率的16％-23％,表明Feammox在太湖氮素自净过程中可能起到重要作用。 (3)添加Fe(Ⅱ)和NO3-并经过厌氧培养后，NO3--N浓度显著降低，沉积物表层出现棕色絮状沉淀，并且NDFO相关菌属的相对丰度有较大程度的上升，而XPS光电子谱图分析结果又表明有大量的Fe(Ⅱ)转变为Fe(Ⅲ),这些都证明了体系中发生了 NDFO反应。NDFO过程中，Fe(Ⅱ)的添加促进了 NO3--N的还原，并造成NO2--N的积累，但NO3--N的添加对Fe(Ⅱ)氧化影响相对较小。同位素富集培养结果显示，添加少量Fe(Ⅱ)后，太湖沉积物脱氮速率达367-434 mg N/(m2·d),表明Fe(Ⅱ)的添加可以促进NO3--N的去除。(4)添加蓝藻干粉并经过180天的避光培养后，沉积物中铁循环相关菌属的相对丰度有所提高，说明蓝藻可以促进铁循环相关细菌的增殖。而同位素培养结果表明，添加蓝藻的处理组中30N2与亚铁生成速率均高于未添加蓝藻处理组，说明蓝藻的衰亡降解可以促进Feammox的进行。 综上论文对太湖铁-氮耦合过程进行了研究，不仅可以充实和完善富营养化湖泊中微生物介导的铁、氮生物地球化学循环过程，机制等理论知识。同时还可以为富营养化控制和氮素削减提供创新方法。
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