主要参加人员：祝贵兵、王为东、王衫允、周杰民、刘春雷
2019年度围绕富营养化湖泊水源地湖滨带氮循环反应、厌氧氨氧化在地下水硝酸盐形态转化中的作用、低温条件下微污染水源氨氮高效去除等方面开展研究，取得的主要进展如下：
1. 发现富营养化湖泊水源地湖滨带是氮循环反应的热区。以大型浅水富营养化浊水态湖泊（巢湖）为对象，研究其东部水源区湖滨带与敞水区氮循环微生物群落结构时空分异，发现在湖滨带沉积物中氨氧化细菌和古菌基因amoA、厌氧氨氧化细菌基因（hzsB）、反硝化细菌基因（nirS、nirK）、硝酸盐异化还原成铵细菌基因（nrfA）丰度均高于敞水区沉积物中相应基因丰度，且冷季（~7oC）丰度值高于暖季（~22 oC）。进一步研究显示：氨氧化古菌、厌氧氨氧化细菌丰度主要受空间异质性影响，反硝化细菌、硝酸盐异化还原成铵细菌丰度主要受时间（温度）异质性影响，而氨氧化细菌丰度则受时间（温度）、空间异质性双重影响。结果表明：湖滨带是大型浅水富营养化浊水态湖泊氮循环反应微生物的“热区”（J. Soil Sediment, 2019）。基于上述发现，我们在巢湖东半湖水源区开展湖泊水源地生态恢复试验示范工程，强化氨氮去除率，取得良好的生态恢复效应（图1）。研究结果为富营养化湖泊水源地生态恢复提供技术参考。
图1 湖滨带热区强化示意图及改造前后氨氧化速率
2. 揭示厌氧氨氧化在地下水硝酸盐形态转化中的重要作用。针对地下水硝酸盐污染问题，前期研究发现岸边带地下水位线上升显著提高饱和土壤中厌氧氨氧化对氮的去除作用（贡献率为5.4~63.9%）和N2O减排效应（39.3 ± 10.6%）（Water Res., 2019）。在全球1000多个样点的研究表明：地下水与土壤交汇层存在着明显的厌氧氨氧化热层，饱和与不饱和土壤交界面是厌氧氨氧化发生的关键分界点，厌氧氨氧化在饱和土壤中贡献36.8~79.5%的氮损失，其余由反硝化过程完成。溶解氧（DO）是影响地下含水层氮循环过程的关键因子。当DO > 0.5 mg L-1，氨氧化、硝酸盐异化还原为铵（DNRA）速率均较高，其平均值分别为53.16 ± 19.50和10.78 ± 5.13 mmol N m-2 d-1，氨氧化提供了84.6 ± 8.4%的NO2-；当DO < 0.5 mg L-1，氨氧化、DNRA速率均较低（< 1.0 mmol N m-2 d-1），此时反硝化提供 > 95%的NO2-。DNRA产生的铵为厌氧氨氧化提供底物，氨氧化则提供DNRA过程所需的NO2-，两者相互耦合促进了厌氧氨氧化在全球地下含水层系统的广泛发生（ISME J., 2020）。这一发现明确了厌氧氨氧化在全球陆地系统中的规律性分布，揭示了硝酸盐形态转化和迁移途径，为地下水硝酸盐治理提供科学依据。
3. 开发低温条件下微污染水源氨氮高效去除技术。针对低温（< 10 oC）条件下氨氮（NH4+-N）去除难题，构建人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）和人工湿地-微生物电解池（CW-MEC）两套系统。研究发现对微污染水体（NH4+-N = 15 mg/L），借助太阳能施加弱电压（0.5 V），可实现CW-MEC系统低温（~5 oC）条件下NH4+-N最高去除率达100%，平均去除率达88.2 ± 7.0％，比无弱电施加的普通人工湿地（CCW）高11.7 ± 6.5％，NH4+-N平均去除量为436.02 mg m-2 d-1，已稳定运行4个月（图2，Sci. Total Environ., 2020）。相对于CCW简单的形态转化方式（NH4+-N转化为NO3--N），弱电介入实现了NH4+-N和NO3--N的同步去除。进一步研究发现，弱电介入不仅强化了反硝化过程，同时也强化了氨氧化和DNRA两个过程。该研究提供了一种经济、有效的低温NH4+-N去除新途径，有望在人工湿地中推广使用。
图2 太阳能辅助电化学强化低温氨氮高效去除示意图及其去除效果
