河流水资源是生态系统健康的基础，尤其在农业和城市发展中扮演着关键角色。随着人类活动的增加，水体污染问题日益严重，营养物质（如氮）的过量输入导致了水体富营养化，进一步引发了水生态系统的退化。四川中部丘陵区的紫色土因其特性，易发生水土流失，导致污染物随径流进入水体，影响水质和生态健康。为了应对这一问题，地方政府实施了沉积物清淤措施，通过去除沉积物中积累的污染物来改善水质。然而，沉积物的清淤会导致河流系统内源氮释放的变化，随着外源氮的持续输入，引起水体氮的动态变化，河流生态系统的自然平衡遭到破坏，重塑微生物群落，影响其功能和氮循环过程。因此，深入理解清淤对沉积物-水界面氮交换及水生微生物群落的影响对研究氮转化过程至关重要。

本研究旨在评估沉积物清淤前后对水质的长期影响，阐明氮动态变化与氮转化的微生物机制，并分析影响氮转化的关键环境因素。本研究采用稳定同位素和微生物宏基因组技术相结合，突破了流域和微环境的尺度限制，全面评估清淤对河流生态系统氮动态、微生物群落及功能的影响。


Unisense微电极研究系统的应用


Unisense微电极系统被用来测量沉积物和水体中的溶解氧（DO）浓度和氧化还原状态。测量三个沉积物柱用于测量水-沉积物剖面中的溶解氧（DO）浓度和氧化还原状态（Eh），使用氧气和氧化还原微电极测试完成。

研究结果


1、清淤对河流生态系统氮动态的长期影响清淤过程去除了沉积物中大量污染物，破坏了沉积物-水界面的氮平衡。清淤后，初期河水中总氮含量显著减少，DO和pH水平显著提高。利用mixSIAR模型计算沉积物对水体的贡献，清淤有效的去除了部分来自肥料、牲畜粪便和污水的沉积物，δ18ONO3−与δ18OH2O之间的关系表明，水体中存在明显的反硝化特征。随着时间的增加，来自农田和果园的大量外源氮负荷再次进入河流。尽管清淤初期带来了积极影响，外源氮输入的持续增加最终导致河水氮含量上升。

2、清淤重塑了河流生态系统的微生物群落清淤后，氧化还原条件和营养状态变化，导致微生物的丰富度和多样性显著下降。河流水体和沉积物中分别减少了39个纲和10个纲，同时各出现了12个新纲。微生物类群的多样性和丰度变化导致功能贡献发生显著变化。在河流水体中，反硝化和DNRA过程显著增加了1.0%和1.6%，在沉积物中，反硝化和硝化分别显著增加了1.7%和0.2%。尽管微生物种类学上发生了变化，但微生物群落在清淤后功能的变化有限，河流系统对清淤等外部干扰表现出较强的适应性和稳定性。

3、清淤显著影响氮还原的微生物机制清淤后，河水和沉积物中的反硝化和DNRA过程显著增加，主要体现在nosZ等基因及其相关氧化还原酶（1.7.2.4）、norBC（1.7.2.5）和narGHI等功能基因的丰度显著增加。另外，有机碳的可用性在决定反硝化与DNRA之间的效率分配中起着关键作用。清淤后，水体DOC/NO3−-N和沉积物中SOC/NO3−-N比率均有提高，表明DNRA相对于反硝化过程去除硝酸盐的效率更高。清淤显著影响微生物氮的还原机制，建立了氮转化相关功能酶之间新的平衡关系。


结论


这项研究揭示了清淤对河流生态系统氮动态的即时和长期影响，强调了微生物群落、微生物功能及其在氮转化中所涉及的复杂性和相互作用。清淤打乱了河流的氮动态和氧化还原条件，导致总氮和硝酸盐氮浓度降低，溶解氧增加，同时提高了氮矿化和氨积累。微生物群落在清淤后功能的变化有限，河流系统对清淤等外部干扰表现出较强的适应性和稳定性。清淤后反硝化和DNRA过程显著增强，建立了氮转化相关功能酶之间的新平衡关系。尽管清淤科研有效的去除内部氮负荷，但效果是短暂的，外源氮的持续输入对河水的氮含量仍造成威胁，清淤的长期效果依赖于对外源氮输入的管理。最终，河流系统会逐渐恢复到最初的平衡状态，实现不同氮转化过程之间的再稳定。


论文信息


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”为题发表在《Water Research》上，该研究得到了国家自然科学基金（42107083）等项目资助。