近日，在线影院 王欣泽研究员团队在《Environmental Science & Technology》在线发表了题为“Progressive Decomposition of Algal Organic Matter Decouples Nitrogen Transformations in Lake Sediments: Evidence from Short-Term Incubation”的研究成果。该研究聚焦于湖泊富营养化背景下藻类衰亡对内源氮释放与转化过程的影响。通过构建时间压缩的藻-水-泥静态培养体系，研究了藻源有机质（AOM）在不同分解阶段的组成变化，及其对水体理化性质和沉积物微生物氮转化过程的影响。研究发现，AOM分解过程对硝化作用与反硝化作用耦合的促进或抑制，取决于其瞬时分解速率对沉积物-水界面氧化还原状态及NO3−限制的影响程度。该研究从“物质组成—表观现象—内部机理”的角度，阐明了AOM不同组分对湖泊沉积物微生物代谢及氮循环通路的贡献，为理解藻类冲击负荷作用下沉积物-水界面的氮循环及其对区域营养盐滞留的促进作用提供了理论支撑。论文第一作者为在线影院 2021级博士研究生刘华基，通讯作者为在线影院 沈剑助理研究员和王欣泽研究员。
研究简介
藻源有机质（AOM）是湖泊生态系统内源有机质的重要组成部分，在藻华衰亡过程中大量释放，并通过复杂的微生物代谢过程参与碳、氮循环。然而，AOM具有高度化学异质性，不同组分在降解速率、生物可利用性及生态效应方面存在显著差异。现有研究多将AOM视为单一底物，忽略其阶段性分解特征及对氮循环过程的差异化影响机制。本研究以冻干蓝藻碎屑为可控变量，克服了新鲜藻体衰亡过程中藻类生命周期不统一、高度活性组分的时间加权贡献值较低等问题。本研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）、薄膜扩散梯度技术（DGT）及宏基因组学等高分辨率检测手段，系统解析了AOM分子组成演变及其与沉积物微生物功能通路和转化速率的耦合关系。重点探讨了AOM中不同生物可利用性组分（Labile、Semi-labile和Humic-like组分）在时间尺度上的转化特征，及其对有机氮矿化、硝化作用与反硝化作用的调控，揭示了藻华衰亡重塑湖泊氮循环通路的关键驱动机制。
图1 图文摘要
图文导读
本研究所用实验材料（藻、水及沉积物）均采集自云贵高原湖泊洱海，经过前处理后，置于室内静态避光培养体系中。培养体系设对照组（SED）、纯藻组（ALG）、加藻组（ALG+SED）和甲醛抑菌组（INH），分别在第0.5、1、2、3、4、5、7、10、12和15天进行破坏性采样，烧杯系列用于测定水体和沉积物的理化性质、紫外-荧光光谱、FT-ICR MS和微生物功能特征，柱状系列用于测定沉积物-水界面处有机质、氮和磷的垂向分布特征及扩散通量。
图2 培养装置示意图
在ALG组和ALG+SED组中，水体溶解氧（DO）浓度均在1天内迅速降低至接近0 mg·L−1。ALG组的DO在第12天回升，此时NH4+维持高浓度，而NO3−持续处于低浓度水平。ALG+SED组的DO在第7天回升，并伴随溶解性总氮（DTN）的快速降低以及NH4+向NO3−的迅速转化。AOM的释放与分解会使水体转变为厌氧、高有机负荷状态。沉积物与AOM的强烈相互作用，会加速AOM的分解及营养盐的转化过程。
图3 AOM分解过程中上覆水溶解氧及形态氮的浓度变化
基于三维荧光光谱的平行因子分析（PARAFAC），从样品中鉴别出四种荧光DOM组分，其中C1~C3组分为类腐殖质物质，C4组分为类蛋白物质。C1组分具有一定的生物惰性，其荧光强度（Fmax）在培养过程中保持相对稳定。C2组分属于较为罕见的陆源腐殖质，可能是AOM转化过程中的中间产物，沉积物的存在加速其转化过程，导致该组分在ALG+SED组中未被检出。C3组分属于藻源性类腐殖质，被划分为Semi-labile AOM的组分之一。其Fmax在分解前期保持稳定，在分解中期可能被专性降解菌转化。C4组分属于藻源性类蛋白，被划分为Labile AOM，在分解初期即被异养微生物快速转化利用。
图4 AOM分解过程中不同荧光组分的荧光强度变化（浅蓝背景表示上覆水中的DOM组分，粉红背景表示沉积物孔隙水中的DOM组分）。
根据AOM的组成及其降解速率差异，可将其操作性地划分为三类：在1~3天内被快速降解的Labile AOM，在3~10天内参与微生物转化或作为中间产物的Semi-labile AOM，以及在10天后占主导地位的Humic-like AOM。FT-ICR MS分析表明，Labile AOM富含脂类（8.22%）、多肽类（8.36%）及不饱和烃（7.72%）等物质。Semi-labile AOM富含碳水化合物（9.41%），其在沉积物微生物的驱动下转化为芳香性物质，导致WAEF-OM中CRAM（29.1%）、单宁酸类（19.2%）和稠合芳香结构（16.9%）的占比显著增加。Humic-like AOM以木质素类物质为主，占比达56.8%。
图5 AOM分解过程中，ALG组水体（绿色点）、ALG+SED组沉积物离子交换态（蓝色点）及弱酸提取态（粉色点）中Unique-DOM的Van-Krevelen图（a）及Venn图（b）。I为脂类、II为多肽类、III为碳水化合物、IV为木质素类、V为不饱和烃、VI为单宁酸类、VII为稠合芳香结构。
微生物功能特征分析结果表明，AOM的短期分解对微生物的氮转化速率、功能基因丰度、转化通路及群落结构的影响呈递减趋势。Labile AOM的快速分解显著促进了有机氮矿化过程，使矿化速率提高267%，同时抑制硝化与反硝化作用，使其转化速率分别降低了88.7%和34.5%。Semi-labile AOM与沉积物的相互作用促进了两者有机组分的分解，导致体系持续处于厌氧状态并造成NH4+滞留。硝化作用受到持续抑制，使得反硝化作用完全失去NO3−底物的补给，进而导致硝化-反硝化过程的解耦。当Humic-like AOM占比升高，水体开始复氧后，沉积物中的硝化作用快速恢复，反硝化作用则缓慢回升。
图6 AOM分解过程中，（a）Phylum水平上氮转化微生物的群落结构；（b）有机氮矿化、硝化作用及反硝化作用相关功能基因丰度；（c）丰度差异显著的功能基因；（d）参与硝化与反硝化通路的功能基因丰度；（e）净矿化速率（NNM）、反硝化速率（DNR）及潜在硝化速率（PNR）的变化。
综上所述，本研究表明，AOM由不同生物有可利用组分构成，其递进式分解过程通过影响微生物活性并改变微环境理化性质，进而调控沉积物中有机氮矿化、硝化作用及反硝化作用等氮转化过程。AOM分解通过造成沉积物-水界面持续处于厌氧状态并形成NO3−限制，最终导致硝化-反硝化过程的解耦。尽管在天然水环境中，AOM的分解还受到光降解、水动力输运等多种途径的共同影响，其过程更为缓慢且离散。但本研究从微生物机制的角度，为理解低水体流动性区域藻类堆积引发的水质恶化、氮素滞留及藻华复发提供了理论基础和数据支撑。
作者简介
刘华基，在线影院 2021级博士研究生，主要从事湖泊富营养化及氮素生物地球化学过程研究。以第一作者身份在Water Research，Environmental Science & Technology等期刊上发表SCI论文5篇，合作发表国内外高水平论文9篇。
王欣泽，在线影院 长聘研究员、博士生导师，在线影院 云南（大理）研究院院长，云南洱海湖泊生态系统国家野外科学观测研究站站长、党支部书记，担任中国海洋湖沼学会湖泊分会理事、《环境工程技术学报》编委、大理州政协委员。长期在云南大理围绕高原湖泊洱海开展专项研究工作，重点在高原湖泊水环境演替规律及治理策略、农业农村面源污染湿地治理技术优化、高效磷吸附材料开发、痕量新型污染物的迁移转化与潜在风险等方面进行了探索，在ES&T、WR等期刊发表学术论文200余篇，获授权专利18项。