浮游植物诱导的硝化作用抑制作用限制了在光照充足、富营养化的浅水湖泊中通过硝酸盐扩散去除沉积物中的氮

《Water Research X》：Phytoplankton-induced nitrification suppression limits sediment nitrogen removal via nitrate diffusion in shallow illuminated eutrophic lake

浅水湖泊氮循环机制研究显示，热带浅湖通过光驱动形成以NH4+和颗粒有机氮（PN）为主的闭合循环系统，浮游植物与硝化细菌竞争NH4+导致硝化抑制，水柱内氮转化效率达每日3-5次循环，底泥反硝化受限于NO3?输入不足。

　　在热带地区的浅水湖泊生态系统中，氮元素的循环和转化对于维持生态平衡至关重要。近年来，随着人类活动的加剧，尤其是农业施肥等行为，这些湖泊接收了大量的人为氮输入，导致其氮负荷显著增加，成为全球水生态系统中容易发生富营养化、藻类爆发和生物多样性下降的脆弱区域。理解这些系统中氮的转化过程，对于保护湖泊的生态安全和健康具有重要意义。本文通过结合同位素示踪技术和分子生物学分析，探讨了中国南方一个氮丰富的热带浅水湖泊——东坡湖中氮的转化网络，揭示了日变化对氮循环的关键影响。

研究发现，在东坡湖中，氨氮（NH??）的浓度表现出显著的日变化，主要受到白天浮游植物对氨氮的吸收和夜间颗粒有机氮（PN）的再生作用的影响。白天，浮游植物对氨氮的吸收速率可达8.5 μM h?1，而在夜间，颗粒有机氮的再生速率则高达12.3 μM h?1。这些结果表明，NH??在水体中形成了一个相对封闭的氮循环路径，而硝酸盐（NO??）则表现出较为稳定的浓度变化，其吸收或生成的速率较低，几乎可以忽略不计。这可能与浮游植物对氨氮的竞争性排除有关，即浮游植物在光照条件下优先吸收氨氮，从而抑制了硝化作用的发生。

进一步的分析表明，尽管水体中氨氮的浓度较高，但硝化作用的速率却非常低，甚至接近检测下限。这可能与硝化菌的基因丰度有关，研究中发现硝化菌的基因（如amo A和amo B）在水体中的浓度非常低，表明硝化菌在光照条件下难以生存或活跃。这种现象不仅限制了硝酸盐的产生，也对沉积物中的反硝化作用产生了抑制效应。由于硝酸盐在水体中供应不足，沉积物中的反硝化作用未能发挥应有的氮去除功能。然而，测量得到的反硝化速率却显示出在高硝酸盐浓度下具有较强的氮去除潜力，这提示在特定条件下，氮去除机制可能具有高度的可变性和适应性。

此外，研究还揭示了浮游植物与硝化菌之间的生态位竞争关系。在光照条件下，浮游植物对氨氮的吸收速率远高于硝化菌，这种竞争导致硝化作用受到抑制，进而影响了整个氮循环的动态平衡。这一现象在其他富营养化浅水系统中也有所体现，表明光照是调控水体氮转化的重要因素。研究还指出，通过增加沉积物中的硝化菌活性，例如在湖底添加多孔材料以创造光照较弱的微环境，可能有助于提升氮去除效率，从而改善湖泊的生态状况。

在氮的转化过程中，除了硝化作用和反硝化作用，还涉及其他重要的氮转化过程，如氨化作用和有机物的分解。这些过程共同构成了一个复杂的氮转化网络，其中氨化作用和有机物分解在水体中占据主导地位。颗粒有机氮的再生主要由异养微生物介导，而氨氮的吸收则主要由浮游植物完成。这种动态的氮循环不仅影响了水体中氮的浓度变化，还对整个生态系统的氮平衡起到了关键作用。

研究还通过长期监测数据，发现氨氮在水体中的浓度始终占据主导地位，而硝酸盐和亚硝酸盐的浓度则相对较低。这种现象在不同季节均保持一致，进一步支持了浮游植物对氨氮的优先吸收和利用。这种优先吸收行为不仅限制了硝化作用的发生，还可能对沉积物中的氮去除过程产生负面影响。因此，未来的研究需要更加关注生态位竞争和微生物群落之间的相互作用，而不仅仅是监测总氮浓度的变化。

本文的研究结果对于湖泊管理具有重要的指导意义。传统的管理策略往往侧重于减少外部氮输入，但本文强调了水体内部氮循环的重要性。通过调控水体中的光照条件和微生物群落结构，可以更有效地促进氮的去除，从而缓解富营养化问题。例如，创造光照较弱的微环境有助于硝化菌的生长和活动，从而提升氮去除效率。此外，通过优化水体中的氮转化路径，如促进硝化作用和反硝化作用的协同，可以进一步改善湖泊的生态状况。

综上所述，本研究揭示了浮游植物与硝化菌之间的生态位竞争对氮循环和湖泊自我净化能力的重要影响。未来的研究应更加关注这些生态过程的动态变化及其对湖泊生态系统的长期影响，以期为富营养化湖泊的管理和修复提供科学依据。同时，本文也强调了水体内部氮转化过程在湖泊氮循环中的关键作用，为生态修复和可持续管理提供了新的视角。