太湖地区河网湿地脱氮能力研究

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太湖地区是中国经济最发达的地区之一,然而近年来日益严重的水体氮污染已成为区域经济发展的重要制约因素。如何消除或减轻水体氮污染已成为环境工作者的重要任务。反硝化和厌氧氨氧化作用是活性氮最终以惰性氮的形式离开水体而回到大气的主要自然途径。然而由于测定方法的限制,目前关于太湖地区河网湿地脱氮能力及其对水环境影响的研究少见报道。新近出现的膜进样质谱法(MIMS)可以更加准确地直接测定湿地反硝化和厌氧氨氧化等脱氮过程的最终产物氮气的产生速率。为此,本研究采用该方法研究太湖地区河流湿地脱氮能力及其影响因子,进而建立河网湿地脱氮模型并预测太湖地区河网湿地脱氮能力。此外,结合15N同位素配对技术和膜进样质谱法以及分子生物学技术验证和量化太湖地区河流湿地的厌氧氨氧化作用。本研究对于更好地认识河流湿地对污染源氮的去除功能以及准确评估污染源氮对太湖地区的环境影响有着重要的意义。  2012年7月至2013年5月,应用MIMS测定太湖流域两条有代表性河流(殷村港和河南埂)湿地的总脱氮速率及其环境因子,并据此建立湿地脱氮模型;同时结合同位素配对技术验证和量化河流湿地的厌氧氨氧化作用。结果表明:太湖地区河网湿地总脱氮速率具有很强的时空异质性。其中,殷村港河流湿地总脱氮速率变化范围为:28.4±16.2~347.5±97.0μmol N2-N m-2 h-1;河南埂河流湿地总脱氮速率变化范围分别为65.6±19.6~651.8±307.4μmol N2-N m-2 h-1,所有采样点5月份总脱氮速率显著高于其它月份(P<0.01)。河南埂河流年均总脱氮速率(269.5±28.4μmol N2-N m-2 h-1)显著高于殷村港(147.9±27.9μmol N2-N m-2 h-1),两条河流年均总脱氮速率最高值都出现在5月,最低值出现在11月。  沉积物和水体的理化性质与河流湿地总脱氮速率的相关分析表明:水温和水体硝态氮浓度是太湖流域河流湿地脱氮能力的关键影响因子。  15N同位素配对技术(15N IPT)和MIMS结合应用可以较好地测定29N2和30N2的产生速率,应用该方法在两条河流湿地的测定值与已报道的相关研究结果具有可比性。厌氧氨氧化潜势在殷村港和河南埂河流湿地都表现出很强的时空差异性。殷村港河流湿地厌氧氨氧化潜势为0.11±0.07μmol Nm-2h-1~10.41±2.30μmol Nm-2h-1、河南埂河流湿地为1.27±0.68μmol N m-2 h-1~27.96±4.36μmol N m-2 h-1。两条河流湿地厌氧氨氧化潜势的最高值出现都在5月,最低值都发生在1月(P<0.05)。河南埂河流湿地年均厌氧氨氧化潜势(8.08±9.95μmol N m-2 h-1,P<0.01)明显高于殷村港河流(3.04±3.76μmol N m-2 h-1)。  殷村港河流湿地厌氧氨氧化脱氮贡献率范围为0.8±0.00%~16.7±0.02%,河南埂河流湿地为4.2±0.02%~17.5±0.02%。殷村港和河南埂河流湿地的年均脱氮贡献率没有显著差异(分别为8.5±5.2和9.2±4.6%,P>0.05)。两条河流湿地脱氮贡献率最低值都出现在1月,最高值都出现在5月。另外,相关分析表明水温和沉积物中的硝态氮含量是影响厌氧氨氧化潜势的关键因子。  同时,我们也用分子生物学技术证实了太湖地区河流湿地中厌氧氨氧化细菌的存在。结果表明,河流湿地沉积物中厌氧氨氧化菌的16S rRNA基因序列隶属于CandidatusKuenenia,Candidatus Jettenia和Candidatus Scalindua,其中C.Kuenenia是厌氧氨氧化细菌群落的优势种。这一研究证实了淡水河流系统中厌氧氨氧化菌的存在及其时空异质性分布特征,但其在淡水河流系统中的脱氮作用相对较小。  结合脱氮速率及其关键控制因子(水温和水体硝态氮浓度)建立了太湖地区河网湿地脱氮能力线性回归模型。2013年7月-12月,我们又测定了21条环太湖河流湿地的总脱氮速率及其环境因子来验证所建的脱氮模型,发现模型预测值能解释21条河流湿地总脱氮速率实测值78%的变异,表明模型有很好的预测效果。利用经过验证的经验模型和已收集的2008-2011年间太湖地区河流水体的月均硝态氮浓度以及预测的月均水体温度,预测太湖地区河网湿地年均脱氮速率为137.9μmol N2-N m-2 h-1,年脱氮能力约为4.04(±2.1)×104 t,脱氮效率约为42.9%,但每年仍然大约有5.37×104t的全氮通过河网流入太湖,因此太湖水体氮污染的治理仍然任重道远。
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