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

底棲生物擾動耦合生物膜形成增強氮去除：緩解淡水富營養(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112814

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出，沉積物中的氮污染是淡水富營養(yǎng)化難以控制的關鍵原因。傳統(tǒng)物理化學技術(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）的生物擾動功能和生物膜技術(shù)，驗證其對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（僅生物擾動或僅生物膜），其平均效率是對照組（無搖蚊和生物膜）的3.19倍。搖蚊擾動促進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)沉積物氮負荷提供了可行方案。  

 

研究目的：  

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

 

研究思路：  

1. 設計四組微宇宙實驗：對照組（S）、搖蚊擾動組（SC）、生物膜組（SB）、耦合組（SCB）。  

2. 通過35天實驗，監(jiān)測上覆水中氮形態(tài)動態(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、溶解性有機碳（DOC）及微生物群落結(jié)構(gòu)（16S rRNA基因測序）。  

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)量平衡計算和統(tǒng)計學分析，評估耦合技術(shù)的協(xié)同效應。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 上覆水氮形態(tài)濃度（圖2）  

   ? 意義：動態(tài)反映生物擾動對氮釋放的促進（如SC組初期TN升高）及生物膜對氮轉(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)對沉積物氮負荷的削減效果（SCB組沉積物TN顯著低于對照組）。  

 

3. 沉積物-水界面溶解氧（DO）剖面（圖4a）  

   ? 意義：揭示搖蚊擾動擴大好氧-厭氧界面的機制（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：解釋氮去除增強的微生物驅(qū)動機制（SCB組沉積物+生物膜的nirS+hzsB基因總量顯著高于其他組）。  

 

5. 溶解性有機碳（DOC）濃度（圖4b）  

   ? 意義：闡明碳源對反硝化的影響（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. 量化生物擾動對氧化還原界面的影響：搖蚊幼蟲活動顯著增加沉積物DO滲透深度（SC/SCB組2.9 mm vs. SB/S組2.1 mm），證明生物擾動通過擴大好氧-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)化機制的物理基礎：高分辨率DO數(shù)據(jù)直接關聯(lián)生物擾動行為與微生物氮去除效率的因果關系，為"生物擾動促進氮循環(huán)"提供原位證據(jù)。  

 

結(jié)論：  

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

2. 作用機制：搖蚊擾動促進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. 應用價值：該策略通過保護底棲生物棲息地（如搖蚊）和增加生物膜載體以維持生境異質(zhì)性，可恢復淡水生態(tài)系統(tǒng)的自凈能力，緩解富營養(yǎng)化。