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第37卷㊀第12期2019年12月环㊀境㊀工㊀程Environmental EngineeringVol.37㊀No.12Dec.㊀2019白洋淀冰封期沉积物中氮赋存形态及分布特征∗李再兴㊀孙㊀悦㊀张艺冉㊀郭朋朋㊀周石磊(河北科技大学环境科学与工程学院河北省污染防治生物技术实验室,石家庄050018)摘要:为研究白洋淀冰封期沉积物中氮的赋存形态及分布特征,初步探究氮素演变规律,于2019年1月采集白洋淀北部㊁中部㊁南部淀区的表层沉积物,采用氮连续分级浸提方法,将沉积物中的氮分为离子交换态氮(IEF-N )㊁弱酸可浸取态氮(WAEF-N )㊁强碱可浸取态氮(SAEF-N )和强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N )㊂结果表明:白洋淀冰封期沉积物总可转化态氮含量为3415.256~5683.580mg /kg ,平均值为4439.975mg /kg ;空间分布上存在明显的差异,并呈现中部淀区>南部淀区>北部淀区的趋势,其中位于中部淀区的文化苑采样点总可转化态氮的含量最高,这主要与淀区不同的生态功能有关㊂3个分区中沉积物各形态氮的含量顺序均为WAEF-N>SOEF-N>SAEF-N>IEF-N ,表明白洋淀沉积物受沉积环境和有机质等多重因素的影响㊂总之,白洋淀沉积物在冰封期较高的总可转化态氮含量和氮形态组成显示出底泥沉积物接纳了大量的可溶性污染物成为内源污染源,可能会在冰封稳定期㊁融冰期后的一段时间增加白洋淀氮释放风险㊂关键词:白洋淀;冰封期;沉积物;可转化态氮DOI:10.13205/j.hjgc.201912006㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀∗国家自然科学基金项目(51909056);河北省研究生创新项目(CXZZSS2019080,CXZZSS2018084);河北科技大学引进人才科研启动基金项目(1181278)㊂收稿日期:2019-05-25OCCURRENCE AND DISTRIBUTION CHARACTERISTICS OF NITROGEN IN SEDIMENTSOF BAIYANGDIAN LAKE DURING THE ICEBOUND PERIODLI Zai-xing,SUN Yue,ZHANG Yi-ran,GUO Peng-peng,ZHOU Shi-lei(Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province,School of Environmental Science and Enginnering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China)Abstract :In order to study the occurrence and distribution of nitrogen in the sediments of Baiyangdian Lake,the evolution ofnitrogen was preliminarily explored.In this study,surface sediments from different regions in the northern,central andsouthern parts of Baiyangdian Lake were collected in January 2019.The nitrogen in the sediment was divided into ion exchange nitrogen (IEF-N),weak acid leachable nitrogen (WAEF-N),and strong alkali leachable nitrogen (SAEF-N),and strong oxidants leachable nitrogen (SOEF-N)by continuous nitrogen fractionation.The results showed that the total transformablenitrogen content of the sediments in Baiyangdian Lake was 3415.256~5683.580mg /kg,with an average value of 4439.975mg /kg.There was a significant difference in spatial distribution,following the sequence of the middle-centralized area >thesouthern part>the northern part.The back-stage sampling points in the middle-centralized part of the lake had the highest content of transformable nitrogen,which was obviously different from the sedimentary area,and cological function was supposed to be related.The order of the content of nitrogen in the sediments of the three subzones was:WAEF-N>SOEF-N>SAEF-N>IEF-N,indicating that the sediments of Baiyangdian Lake were affected by multiple factors including sedimentaryenvironment and organic matters.In conclusion,the high convertible nitrogen contents and different nitrogen forms of Baiyangdian Lake sediment during the icebound period showed that the sediments deposited large amount of soluble pollutants as an endogenous pollution source,which might be stable during the icebound period,and increase the risk of nitrogenreleasing from Baiyang Lake in a period of time after the glacial period.Keywords :Baiyangdian Lake;icebound period;sediment;convertible nitrogen环㊀境㊀工㊀程第37卷0㊀引㊀言生态环境状况公报显示,我国绝大部分湖泊都处于水体富营养化状态或面临着水体富营养化的威胁㊂湖泊水体氮含量过高是造成水体富营养化的主要原因[1],水体中氮含量超标主要有2个方面:1)大量外源污染物持续不断地进入湖泊,在湖泊中积聚并超过其天然的自净能力,导致湖泊水质下降;2)随着外源污染物增多,水体中氮含量不断积累,通过沉降㊁扩散等形式汇入沉积物中,使得沉积物成为湖泊的氮储存库[2]㊂而沉积物中的氮可在湖泊流动㊁生物扰动㊁氧化还原环境改变的情况下,扩散到水体中,成为湖泊的内源污染物[3-6],造成湖泊水体的富营养化㊂根据现有文献发现,在对湖泊水质进行治理时,即使切断了湖泊水质的外源污染,沉积物中释放的氮素也有可能使得湖泊呈现出富营养化的状态[7,8]㊂因此,湖泊沉积物中氮含量及氮素赋存形态对于湖泊富营养化的治理具有重要意义㊂白洋淀作为华北平原最大的淡水湖泊,在维护华北地区生态系统平衡,调节华北平原乃至京津地区气候㊁补充地下水源㊁调蓄洪水以及保护生物多样性等方面发挥重要作用[9]㊂环保部于2017年将白洋淀㊁洱海㊁丹江口定义为新三湖[10],根据最新数据显示,洱海㊁丹江口水质为优,处于中营养状态,但白洋淀水质较差,处于轻度富营养状态[11-13]㊂若不对白洋淀水质加紧治理,白洋淀水质很有可能再次恶化,成为华北地区生态文明发展的重要制约因素㊂作为封闭性湖泊,白洋淀自身水体流动速度较为缓慢,多条入淀区河流受到的外源性污染物较多[14-15],尤其是贯穿整个保定市区的府河[16],受纳的污染物较多,外界的污染物随着府河汇入白洋淀,致使白洋淀水质受到严重威胁,而其他入淀区河流在冬季则呈现出断流情况㊂在此条件下,白洋淀冰封期上覆水的氮素很有可能进入沉积物中,在融冰期内源氮素大量释放,对白洋淀自身水环境造成重大威胁㊂因此,探明冰封期白洋淀沉积物的氮赋存形态及氮含量对于治理白洋淀沉积物内源污染有重大意义㊂1㊀材料与方法1.1㊀研究区概况及样品采集白洋淀(38ʎ46ᶄN~38ʎ59ᶄN,115ʎ47ᶄE~116ʎ6ᶄE)总面积达到362.8km2,淀区内主要由面积不等的143个淀泊和3700多条沟壕组成[17],地势较平坦,起伏不大,属海河流域大清河南支水系湖泊[17],自设立雄安新区后,白洋淀大部分为雄安新区所辖,成为雄安新区发展的重要生态水体㊂为了探究白洋淀冰封期沉积物氮素赋存形态及含量,将白洋淀分为北部㊁中部㊁南部3个部分,各采样点位置如图1所示㊂北部淀区包括S1烧车淀(旅游码头)㊁S2白沟引河采样点;中部淀区设置S3枣林庄㊁S4南刘庄府河入淀口㊁S5鸳鸯岛-旅游区㊁S6文化苑西门采样点;南部包括S7泛鱼淀㊁S8采蒲台北-环保点㊁S9前塘㊁S10后塘采样点,共设置10个采样点㊂于2019年1月对10个采样点的沉积物进行采集,将采集到的沉积物置于恒温箱内(5ħ),带回实验室低温真空干燥㊁研磨,过100目筛,处理后样品平行测定3次㊂图1㊀白洋淀采样点分布Fig.1㊀The sampling points distribution of Baiyangdian Lake 1.2㊀实验方法沉积物各形态氮采用逐级提取法[18,19],该方法将沉积物中可转化氮分为离子交换态氮(IEF-N)㊁弱酸可浸取态氮(WAEF-N)㊁强碱可浸取态氮(SAEF-N)和强氧化剂可浸取态氮(SOEF-N)4种形态,提取过程见表1,提取出的待测液采用纳氏试剂光度法测定NH+4-N,以N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定NO-2-N,紫外分光光度法测定NO-3-N㊂2㊀结果与分析2.1㊀白洋淀沉积物总可转化态氮含量及空间分布特征白洋淀冰封期表层沉积物总可转化态氮含量为3415.256~5683.580mg/L,平均值为4439.975mg/L (图2),根据权重分析总可转化态氮含量总体表现为中部淀区>南部淀区>北部淀区㊂总可转化态氮含量03第12期李再兴,等:白洋淀冰封期沉积物中氮赋存形态及分布特征㊀㊀表1㊀沉积物可转化态氮分级连续浸提步骤Table 1㊀Grading continuous leaching procedure for the convertible nitrogen in sediment形态提取方法IEF-N 准确称取过100目筛的干燥沉积物样品1g 置于50mL 离心管中,加入1mol /L KC 溶液40mL,室温下振荡2h,离心10min(4000r /min),取上清液测定氮素含量WAEF-N 超纯水提取烘干上步残渣,加入40mL HAc-NaAc 溶液(pH =5),室温下振荡6h,离心10min(4000r /min),取上清液测定氮素含量SAEF-N 超纯水提取烘干上步残渣,加入0.1mol /L NaOH 溶液40mL,室温振荡17h,离心10min(4000r /min),取上清液调节pH 至7左右,测定氮素含量SOEF-N超纯水提取烘干上步残渣,加入40mL 碱性过硫酸钾溶液,室温振荡3h,放入高压灭菌锅消解1h,冷却后离心(4000r /min),取上清液调节pH 至7左右,测定氮素含量的最大值为S6采样点,该采样点主要位于白洋淀的旅游中心区,该区每日接纳的游客量巨大,随之产生的生活垃圾也与日俱增,导致水体中汇入大量外源污染物㊂在冰封期,水中含氮污染物随着水体的冻结沉入沉积物中,致使该采样点沉积物总可转化态氮含量升高㊂最小值为S8采样点,采蒲台北是白洋淀的环保示范点,2012 2014年采蒲台北水质由轻度富营养状态转为中营养状态[20],证明水质在逐年变好,且采蒲台北是白洋淀淀区水位最浅的淀区,内部水深只有5m,上覆水水质优良且水深较浅,使得沉积物接纳的外源污染物较少,进而可转化态氮含量较低㊂由此可见,沉积物中含有可转化态氮含量的高低与上覆水水质优良程度存在较为密切的关系㊂图2㊀白洋淀沉积物中总可转化态氮含量Fig.2㊀Total transformable nitrogen contents in BaiyangdianLake sediment总体来看,中部淀区的总可转化态氮含量最高,与王亚琼等[21]对白洋淀府河㊁旅游区中沉积物可转化态氮含量的研究结果一致㊂中部淀区的S4采样点,府河河流贯穿保定市区,保定市的生活污水和工业废水均排入府河流域,造成其接纳了大量外源污染物,同时该区域水体流动慢,自净能力较差,水质污染严重;S5和S6采样点均为白洋淀旅游业发达的淀区,淀内建有大型生态旅游景区,客流量巨大,配套餐饮服务行业也是主要的污染源,进而造成了2个淀区水质被污染严重㊂随着水质中污染物增多,在冰封期,河水结冰,大量氮源污染物汇集到沉积物表层,沉积物中可转化态氮含量升高㊂因此,中部淀区的总可转化态氮含量呈现出最高状态㊂2.2㊀白洋淀沉积物4种可转化态氮含量及变化特征不同采样点的各形态可转化态氮含量见图3㊂可明显得出:各采样点中不同形态的可转化态氮含量总体表现为WAEF-N >SOEF-N >SAEF-N >IEF-N㊂10个采样点中,WAEF-N 为沉积物碳酸盐结合态氮㊁黏土矿物中部分结合态氮,属于易释放态氮,其含量为2809.12~3084.87mg /kg,占总可转化态氮含量的54.28%~82.25%㊂S4采样点的WAEF-N 含量最高,可能是S4不仅承接了保定市居民生活污水,上游污水处理厂的废水也排入其中,汇入的外源污染物较多,进而沉降到沉积物中的污染物也随之增多㊂10个采样点均表现出高含量的WAEF-N,可能是近期汇入淀中的污染物较多,在冰封期,氮污染物通过沉降㊁扩散到沉积物中,在融冰期释放,将会对白洋淀水质造成巨大的威胁㊂SOEF-N 是指与有机质和硫化物结合的氮形态[22],主要是有机氮,是释放能力最弱的氮形态㊂白洋淀冰封期沉积物中ω(SOEF-N )为312.34~1620.85mg /kg,占总可转化态氮含量的9.05%~28.52%㊂S6采样点的SOEF-N 含量最高,可能是在冰封期来临前,人类频繁的水上活动导致该点水位明显下降,使得沉积物与O 2进行接触,微生物大量繁殖导致SOEF-N 形态的氮含量上升;SAEF-N 为NaOH 可浸提的固定态氮及Fe /Mn /Al 氧化物结合态氮[19],水体中溶解氧的含量与SAEF-N 存在负相关关系,即随着溶解氧的升高,SAEF-N 会向其他形态的氮素转化,白洋淀沉积物ω(SAEF-N)为112.8~1174.47mg /kg,占总可转化态氮含量的3.3%~20.66%㊂S8采样点的SAEF-N 含量最低,可能是其13环㊀境㊀工㊀程第37卷水质较优良,水体中溶解氧含量较高,因此沉积物中SAEF-N 形态的氮含量较低;IEF-N 是可转化态氮中最 活跃 的氮形态[23,24],随着水位升高降低㊁水流快慢㊁沉积物受水生动物的扰动速度,极易在沉积物-水界面进行迁移转化,在沉积物中结合能力最弱,白洋淀沉积物中ω(IEF-N)最低,为57.42~230.41mg /kg,占总可转化态氮含量的1.68%~8.59%㊂S1采样点该种类型的氮含量最低,S1是白洋淀旅游区的水上码头,过往的船只对水体搅动引起底层沉积物的翻动,导致IEF-N 被扩散,因此检测出该采样点离子交换态氮含量最低㊂IEF-N;WAEF-N;SAEF-N;SOEF-N㊂图3㊀白洋淀沉积物中4种可转化态氮含量分布Fig.3㊀Distribution of four transformable nitrogen contents in sedimentsof Baiyangdian Lake此外,白洋淀各淀区的4种可转化态氮含量差异较大,北部采样点包括入淀河流㊁旅游淀区,中部采样点包括居民生活区㊁旅游发达区㊁入淀区河流,南部采样点包括环保示范区㊁养殖淀区以及居民生活区,每个采样点基本涵盖了白洋淀整个淀区的承载功能㊂造成每个采样点中4种可转化态氮含量差异的原因一方面可能是各淀区承载功能不同,污染物来源不同;另一方面,据历史记载,白洋淀曾出现2次干涸时期[25,26],使得入淀径流和淀内蓄水都发生变化,从而使得沉积物中4种可转化态氮含量存在较大差异㊂2.3㊀白洋淀沉积物氮形态特征白洋淀冰封期沉积物的ω(TN )为6710.178~12470.202mg /kg(图4a)㊂其中,南部淀区的TN 含量达到最高,与总可转化态氮变化趋势相似,TN 由总可转化态氮和非总可转化态氮2部分组成,总可转化态氮占TN 的35.54%~76.35%(图4b),S4采样点中总可转化态氮的占比值最高为76.35%㊂根据龙幸幸等[16]对白洋淀府河水质污染程度研究可知,府河内部汇入了大量生活垃圾及工业废水,水质污染最为严重㊂因此,在白洋淀结冰期,府河水质中的氮污染物汇入沉积物中,造成沉积物TN 中可转化态氮含量随之升高,占比最大㊂图4㊀白洋淀沉积物中TN 含量分布及总可转化态氮(TTN)/TNFig.4㊀Distribution of TN contents and total convertible nitrogen(TTN)/TN in sediments of Baiyangdian Lake根据分区探究及图4可知:随着北部㊁中部㊁南部淀区TN 升高,总可转化态氮的占比并没有升高,反而呈现出减少的趋势,这说明TN 的增加主要是来自非可转化态氮含量的升高㊂与李鑫[27]对于沉积物中氮形态分布的研究结果相一致,原因主要是随着沉积物被污染程度的加深,沉积物中的氮逐渐向稳定性强的形态发展[22]㊂根据白洋淀自身的水文状态分析,白洋淀是封闭性湖泊,自身水体流动较慢,除入淀区河流能大量接纳外源污染物外,其他淀区沉积物受到的污染主要来自自身水体污染和藻类物质的腐烂㊂随着时间的积累,活泼的氮形态向稳定态转化,但在进入融冰期后,水生植物生长以及河水流动可能会搅动沉积物,使得内部氮素大量释放,可能会增加水体富营养化的风险㊂23第12期李再兴,等:白洋淀冰封期沉积物中氮赋存形态及分布特征3 结论与建议1)白洋淀冰封期沉积物总可转化态氮含量为3415.256~5683.580mg/kg,总可转化态氮在各采样点中差异较大㊂根据10个采样点分析,S6采样点的总可转化态氮含量最高,主要是因为发达的旅游业造成餐饮垃圾大量增多㊂由于每个淀区承载的功能不同,整体表现出中部淀区>南部淀区>北部淀区的趋势,中部淀区中旅游业的发展是造成总可转化态氮含量升高的主要原因㊂2)10个采样点的4种可转化态氮含量变化趋势均表现为WAEF-N>SOEF-N>SAEF-N>IEF-N,WAEF-N 是较易释放态氮,高含量的WAEF-N可能在融冰期大量释放到上覆水中,造成白洋淀水质污染严重㊂3)白洋淀沉积物ω(TN)为6710.178~ 12470.202mg/kg,可转化态氮占35.54%~76.35%㊂除S4采样点占比最高,其余采样点占比均在50%以下,根据数据发现沉积物中TN的组成主要是非可转化态氮㊂由此可见,白洋淀冰封期沉积物高含量TN 主要是非总可转化态氮含量造成的㊂致谢:感谢周石磊老师在2019年1月采集白洋淀沉积物以及对实验流程的指导,感谢张艺冉㊁郭朋朋等在实验指标测定中的帮助㊂参考文献[1]㊀Conley D J,Paerl H W,Howarth R W,et al.Ecology.Controlling eutrophication:nitrogen and phosphorus[J].Science,2009,323(5917):1014-1015.[2]㊀金相灿,王圣瑞,姜霞.湖泊水-沉积物界面三相结构模式的初步研究[J].环境科学研究,2004,17(增刊1):1-5,10.[3]㊀Li Z J,Yue Q Y,Gao B Y,et al.Phosphorus release potentialand pollution characteristics of sediment in downstream NansiLake,China[J].Frontiers of Environmental Science andEngineering,2012,6(2):162-170.[4]㊀Vicente I D,Serrano L,Amores V,et al.Sediment phosphatefractionation and interstitial water 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北运河流域（北京段）表层土壤多环芳烃空间分布特征及来源解析北运河流域（北京段）表层土壤多环芳烃空间分布特征及来源解析摘要：多环芳烃（PAHs）是一类对环境和人类健康有害的化学物质，其分布特征和来源解析对于环境污染防治具有重要意义。
本文通过对北运河流域（北京段）表层土壤中PAHs的采样和分析，研究了其空间分布特征以及可能的来源解析。
结果表明，北运河流域的土壤中普遍存在PAHs，其中主要的污染物为苯并[a]芘、苯并[ghi]苝和芘，其浓度范围为X-XX ng/g。
研究还发现，PAHs的分布呈现出明显的空间差异，主要受到工业和交通活动的影响。
此外，通过相关性分析和PAHs组成特征，可以推测其来源主要包括机动车尾气排放、燃煤排放和生物质燃烧排放。
引言：近年来，随着城市化进程的加速和工业发展的快速推进，PAHs 在环境中的含量不断增加。
PAHs是许多活动产生的有机污染物的重要成分，来源广泛，包括石油和煤炭的燃烧、机械加工、生物质燃烧等。
这些物质对环境和人类健康具有潜在的威胁，因此对其分布特征和来源进行深入研究至关重要。
方法：本研究选择北运河流域（北京段）作为研究对象，共采集了30个样品，每个样品的深度为0-20厘米。
采样点布置在工业区、交通枢纽周边和农田等不同类型的区域，以考察PAHs的空间分布特征。
采用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对采样物进行分析，通过比对峰面积和标准品浓度计算出PAHs的含量。
结果与讨论：结果显示，北运河流域（北京段）表层土壤中普遍存在PAHs，主要污染物为苯并[a]芘、苯并[ghi]苝和芘。
这些PAHs的浓度范围为X-XX ng/g，部分样品的浓度超过了环境质量标准。
空间分布图显示，工业区和交通枢纽周边的土壤中PAHs的含量普遍高于农田区。
这说明工业和交通活动是PAHs的主要来源之一。
同时，通过相关性分析发现，PAHs之间存在一定的相关性，这也表明它们可能来自共同的污染源。
另外，通过比较PAHs的组成特征，可以进一步推测其主要来源。
微生物脱氮原理微生物脱氮呀，就像是一场超级神奇的魔法表演呢。
咱先来说说氮在环境里的情况。
氮这个元素呀，在自然界里到处晃悠。
有一些氮是以氮气的形式存在于空气中的，氮气就像个超级淡定的家伙，不怎么爱和别的物质打交道。
但是呢，在水体或者土壤里，氮就变得活跃起来了，它会以各种形式存在，像氨氮呀、硝态氮之类的。
如果氮太多了，那可就麻烦了，就好比一场聚会来了太多不请自来的客人，会把环境这个派对搞砸的。
比如说在水里，氮太多会让水变得富营养化，水藻就会疯长，然后水就变得脏兮兮的，鱼呀虾呀都不开心了。
这时候呢，微生物就闪亮登场啦。
微生物可是小小的大英雄哦。
有一种微生物叫硝化细菌，它可厉害了呢。
硝化细菌里又分成两类，一类叫氨氧化细菌，就像氮的小管家一样。
氨氧化细菌看到氨氮的时候，就像看到了自己要改造的小目标。
它会把氨氮变成亚硝态氮，这个过程就像是把一块粗糙的石头初步打磨成一个有点形状的小物件。
然后呢，另一种硝化细菌，叫亚硝酸盐氧化细菌，它就接手了这个亚硝态氮，再把它变成硝态氮。
这就好比是把那个初步打磨的小物件进一步精雕细琢成一个精致的工艺品。
但是呀，这还没完呢。
还有一群微生物叫反硝化细菌。
反硝化细菌就像是一群小魔法师，它们专门和硝态氮过不去。
反硝化细菌在缺氧的环境里可活跃了，它们会把硝态氮一点点变成氮气。
这个过程就像是把那些已经加工好的工艺品又重新打散，变回最原始的材料，然后把这个氮气送回空气中，就像把不想要的东西打包送回原处一样。
微生物脱氮的过程其实也很依赖环境的。
就像微生物们住在一个小社区里，环境就是它们的房子和生活设施。
如果这个环境里氧气太多了，那反硝化细菌就会不开心，它们的魔法就施展不出来了。
而如果没有足够的碳源呢，就像微生物们没有足够的食物，它们也没办法很好地进行脱氮工作。
所以呀，我们要是想让微生物好好地进行脱氮，就得给它们创造一个舒适的小环境，就像给小宠物准备一个温暖舒适的小窝一样。
微生物脱氮在污水处理厂可是超级明星呢。
海河流域流氮污染特征及规律1 引言氮素是植物生长最重要的营养元素之一，决定着淡水生态系统中浮游植物的生长和分布.总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)和亚硝氮(NO2--N)是水生态系统中氮素的最主要存在形态，过量的氮输入会造成水体酸化、富营养化以及毒性等副作用，危害水体的生态系统健康.近年来，由于我国经济快速发展，含有高浓度氮素的工业废水和生活污水排入河流，造成水质恶化和水体富营养化.氮素超标已经成为我国河流的主要水污染问题，严重影响河流水环境质量.我国“十二五”规划中明确提出将氨氮作为污染减排的约束性指标，这也将是今后我国河流氮污水控制的指导方向.海河流域地处我国的政治文化中心，在我国的社会经济发展中有着举足轻重的作用.近几十年来，流域经济社会发展迅速，点源污染和非点源污染剧增.2010年流域工业废水排放量高达23.15亿t，主要的排污行业为化工、造纸、电力、食品、冶金等行业，这5个行业的废水排放量占全部工业废水排放量的一半以上，主要污染物为化学耗氧量、挥发酚、氨氮等;2007年，全流域畜禽养殖产生污染物氨氮45.42万t，总氮116.53万t，入河污染物总氮0.83万t、氨氮0.58万t;2007年农业非点源入河污染物总氮8.6万t，氨氮1.1万t，入河系数分别为总氮0.15、氨氮0.18，这些污染物的排放正加剧着海河流域河流水体氮污染.已有研究表明，海河流域子牙河水系河流整体氮污染严重，以氨氮为特征污染物，超过国家地表水环境质量标准(GB3838-2002)V标准(;氨氮和亚硝酸盐氮是海河干流的2个主要污染因子.目前的研究缺乏从整个流域层面分析河流的氮污染状况，难以对氮污染演变过程与发展趋势形成全面的认识.本研究利用海河流域河流主要监测站点数据与实测数据，分析TN、NH4+-N、NO3--N 和NO2--N的污染特征和演变趋势，以期为流域水污染控制和水生态修复提供基础和依据.2 研究区域与数据2.1 研究区域概况海河流域位于东经112°~120°，北纬35°~43°，流域总面积31.8万km2.海河流域属温带半干旱、半湿润季风气候区，年平均气温0～14 ℃，多年平均降水量547 mm.按照地貌条件可以将海河水系划分为上游山区段、中部平原段和下游滨海段.流域由滦河、北三河(北运河、潮白河和蓟运河)、永定河、大清河、海河干流、子牙河、黑龙港运东、漳卫河以及徒骇马颊河九大水系构成，其中以北三河、永定河、大清河和海河干流为海河北系，以子牙河、黑龙港运东、漳卫河为海河南系.整个海河流域的水系从南到北呈扇形分布，整体上具有次级水系分散、河系复杂、支流众多、过渡带短、源短流急的特点.海河流域囊括了北京、天津、河北、山西、山东、河南、内蒙古、辽宁8个省、自治区、直辖市的全部或部分地区，其中，“京-津-冀”地区是我国重要的政治、经济、文化中心，具有重要的战略地位.经济社会发展迅速、人口密度较高是海河流域的鲜明特征.海河流域水资源短缺，水环境承载能力相对较低.1998年至2010年，流域年均地表水资源量为118亿m3，人均总水资源占有量仅为全国平均的1/7，是我国七大江河流域中水资源最匮乏的地区.流域内人口急剧膨胀及经济快速发展，导致对水资源开发利用程度逐步提高，水资源开发利用率已经接近100%.海河流域是我国水质污染最为严重的区域，大量的工业废水、生活污水进入河流系统，生态环境严重恶化.氮磷等元素随废污水排放进入河流，导致海河流域主要河流营养盐普遍超标.水资源总量少且时空分布不均、开发利用程度过高、水质污染严重，是海河流域最为突出的水环境问题.2.2 数据与方法2.2.1 氮素分析方法海河流域氮素数据调查采用地统计调查方法，通过流域网格化和采样点筛查共确定采样点350个(图 1)，调查采样时间为2009年7月至同年10月.采样方法及样品的预处理方法按照水和废水监测分析方法完成，车载冰箱保存样品，带回实验室进行分析.氮素测定指标为总氮、氨氮、硝态氮、亚硝态氮，其中，总氮：碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;氨氮：纳氏试剂分光光度法;硝态氮：酚二磺酸分光光度法;亚硝态氮：N -(1-萘基)-乙二胺分光光度法.2.2.2 历史数据的收集与数据分析水质历史演变趋势的分析以2000—2011年海河流域重点水功能区主要监测站点的监测数据(海河流域水资源保护局提供)以及2009年的实测数据为依据.历史数据的分析，首先将历年来的主要监测站点数据按照九大水系进行划分，取每个水系水体环境因子的平均值进行对比;水质评价方法，采用水质类别判定法即单因子评价法，根据地表水环境质量标准中规定的污染指标限值与监测值比较;氮污染物空间分布分析在ArcGis 10.1中完成，空间差值方法采用IDW(Inverse Distance Weighted)方法;氮污染物相关性分析在SPSS 19中完成.3 结果与分析3.1 河流氮污染空间分布特点及污染现状海河流域氮污染严重，各种形态的氮浓度呈现出沿山区-平原方向有上升趋势的显著空间分布特征(图 2).海河流域河流水体氮污染最严重的区域集中在中部平原地区，主要超标污染物为NH4+-N，NH4+-N是氮污染的主要污染因子;山区段TN、NO3--N和NO2--N含量较高，NH4+-N则在平原地区含量相对较高.海河干流水系、北三河水系和子牙河水系是海河流域氮污染最严重的区域.就各种氮素空间分布区域而言，TN平均浓度较高的区域主要分布在海河干流水系、黑龙港运东水系、子牙河水系和北三河水系，平均浓度均超过了9.00 mg · L-1;NH4+-N平均浓度较高的区域主要分布在海河干流水系、北三河水系和子牙河水系，平均浓度均超过了5.00 mg · L-1; NO3--N平均浓度较高的区域主要分布在海河干流、黑龙港运东和子牙河水系，平均浓度均超过了2.00 mg · L-1;NO2--N平均浓度较高的区域主要分布在北三河水系和徒骇马颊河水系.海河流域氮污染现状仍然严重.2011年，海河流域河流水体中TN平均浓度为7.92mg · L-1，超过国家地表水V标准限值(2 mg · L-1)4倍，超标现象严重;TN平均浓度最高的是海河干流水系，为15.55 mg · L-1，超过地表水V标准限值7倍以上，最高值为23.3 mg · L-1;滦河水系河流水体中TN浓度相对最低(2.78 mg · L-1)，略高于地表水V标准限值.NH4+-N平均浓度4.25 mg · L-1，超过地表水V水质标准限值(2 mg · L-1)2.1倍，是河流水体中氮污染物的主要存在形式;海河干流水系NH4+-N平均浓度最高，为11.52 mg · L-1，超过地表水V 标准限值5倍以上;最低值出现在滦河水系，平均浓度仅为1.62 mg · L-1，略高于地表水IV 类标准限值(1.5 mg · L-1).NO3--N平均浓度为1.28 mg · L-1，是水体中含量较低的一种氮素;海河干流水系NO3--N平均浓度最高为4.66 mg · L-1.NO2--N平均浓度0.013 mg · L-1，是海河流域河流水体中含量最低的一种氮素.一般天然水体中NO2--N不超过0.1 mg · L-1，NO2--N平均浓度高于0.1 mg · L-1的区域主要分布在北三河水系和徒骇马颊河水系.3.2 河流氮污染变化趋势2000—2011年，海河流域河流水体中TN、NH4+-N、NO3--N、NO2--N多年变化趋势见图 3.2000年至2005年TN浓度逐渐升高，在2005年达到一个峰值为8.99 mg · L-1，2009年明显下降，2009—2011年又逐渐升高，在2011年达到另一个峰值为7.92 mg · L-1;TN平均浓度最高为2005年的8.99 mg · L-1，最低为2000年的3.34 mg · L-1.NH4+-N浓度变化整体上呈现出与TN 浓度变化相似的变化趋势，在2005年和2011年达到峰值，浓度分别为5.46 mg · L-1和4.25mg · L-1，NH4+-N浓度最低为2000年的2.67 mg · L-1.2002—2010年，海河流域河流水体中NO3--N浓度基本保持稳定，2011年浓度最低，平均浓度为1.34 mg · L-1，2005年浓度最高，平均浓度为2.89 mg · L-1.NO2--N浓度呈现随年份显著降低的趋势，最高为2000年的1.76 mg · L-1.从氮素多年变化趋势来看，NH4+-N仍然是TN的主要贡献者，也是造成海河流域氮污染严重的关键因子.通过Spearman相关性分析(表 1)，海河流域河流水体中TN浓度与NH4+-N、NO3--N、NO2--N 浓度呈现显著正相关(p<0.01)，TN浓度与NH4+-N浓度的变化趋势最为接近(图 3)，说明NH4+-N 浓度变化对TN浓度变化的影响最大;NH4+-N浓度与NO3--N浓度呈现显著负相关(p<0.05)，可能由于水体当中的氧化还原条件促使NH4+-N与NO3--N之间发生了相互转化;NO2--N浓度与NH4+-N、NO3--N浓度均呈现显著正相关(p<0.01)，NO2--N是氮循环的中间产物，不稳定，可被氧化成NO3--N，在厌氧环境中也可受微生物的作用被还原为NH4+-N.2000—2011年，NH4+-N劣V(>2.0 mg · L-1)站点比例整体上表现为减少趋势(表 2)，由2000年的28.87%降为2011年的17.56%;劣V类站点NH4+-N浓度均值呈现整体下降的趋势，由2000年的7.91 mg · L-1降为2011年的6.50 mg · L-1;海河流域河流水体中NH4+-N浓度达到V类水质标准的站点比例整体表现为增加的趋势，由2000年的71.13%增加到2011年的82.44%，达IV类水质标准的站点比例由2000年的69.87%增加到2011年的80.38%;至2011年，海河流域河流水体中NH4+-N浓度达III类水质标准的站点比例为75.79%，较2000年增加了13.87%.海河流域呈现出氨氮污染减轻，向IV、V甚至更高水质标准转变的趋势.海河流域九大水系中，滦河、永定河、大清河和北三河水系河流水体中NH4+-N 浓度没有明显的降低趋势，子牙河、漳卫河、海河干流、黑龙港运东水系河流水体中NH4+-N浓度随年份降低程度较大(图 4).黑龙港运东水系河流NH4+-N污染最重，2000—2011年，黑龙港运东水系河流水体中NH4+-N平均浓度为9.30 mg · L-1，超过了V类水质标准，超标倍数在1.6~8.8之间.其中，2001年NH4+-N平均浓度最高，为17.64 mg · L-1，2011年最低，为1.96 mg · L-1.子牙河水系河流水体中NH4+-N污染较重，2000—2011年，子牙河水系河流水体中NH4+-N平均浓度为11.91 mg · L-1，超过地表水V类水质标准，超标倍数为2.7~23.2，其中2000年NH4+-N平均浓度最高，为46.33 mg · L-1.滦河水系河流水体中NH4+-N污染较轻，2000—2011年，滦河水系河流水体中NH4+-N平均浓度为2.67 mg · L-1，超过地表水V类水质标准，超标倍数在1.3~3.4之间，其中2005年NH4+-N平均浓度最高，为6.72 mg · L-1，2011年降至1.10 mg · L-1.永定河、大清河水系河流水体中的NH4+-N含量最低，除个别年份外均在V 类水质标准以内.2000—2011年，永定河水系河流水体中NH4+-N平均浓度为1.55 mg · L-1，在V类水质标准范围内，其中2007年NH4+-N平均浓度最高，为2.34 mg · L-1，2009年最低，为0.69 mg · L-1;2000—2011年，大清河水系河流水体中NH4+-N平均浓度为0.35 mg · L-1，在地表水Ⅱ类水质标准范围内，其中2000年NH4+-N平均浓度最高，为0.52 mg · L-1，2001年最低为0.16 mg · L-1.2007—2011年，海河流域河流NH4+-N污染整体上呈现好转趋势，但超标现象仍较严重.其中，NH4+-N仍超标较严重的站点包括大清河的龙王庙，超V类水质标准2~5倍;潮白河的赶水坝，超V类水质标准5~9倍;沟河的双村，超V类水质标准2~10倍;温榆河的土门楼，超V类水质标准5~8倍;温榆河的白庄桥，超V类水质标准2~5倍;漳卫新河的第三店，超V类水质标准2~16倍;徒骇河的大清集，超V类水质标准2~13倍.4 讨论以COD和NH4+-N为主导的耗氧污染仍然是海河流域河流的首要污染问题.氨氮硝化耗氧过程是河流生态系统中氮循环的重要环节，其对河流溶解氧消耗的贡献比例最大能达到81%，这一耗氧效应将会严重影响到水体中的溶氧平衡，使水体发黑发臭.氨氮也是水体中重要的营养物质，可为藻类生长提供营养源，过量的氮会引起藻类大量繁殖，形成水体富营养化.氨氮可对水生生物产生毒害作用，起毒害作用的主要是非离子氨1.非离子氨对河流水生生物，尤其是鱼类具有毒害效应.以海河流域2009年地表水水质数据为基础，根据美国淡水氨氮浓度标准值，计算流域氨氮产生的非离子氨毒害效应阈值.结果显示，氨氮最大浓度基准值(CMC)为1.593 mg · L-1，持续浓度基准值(CCC)为0.219 mg · L-1.整个海河流域由氨氮产生的非离子氨毒害效应严重，氨氮浓度超过CCC河段长度占整个评价河段长度(15941 km)的86%，各水系氨氮浓度超过CMC的河长比例均超过40%.滦河水系下游、北三河水系下游、海河干流水系、子牙河水系、漳卫河水系的平原区和滨海区氨氮浓度均超过CMC浓度.在一个流域内，河岸两边的植被类型、人口数量和工业布局是影响河流氮污染的重要原因.海河流域山区段林草地广泛分布，基本无污染源，水质较好，氮污染较轻.平原段氮素浓度较高，分析原因是海河流域平原区绝大部分为农田、城镇和农村聚落，分布着各大中型城市，人口密集，工业发达，工业废水与生活污水排放量大，同时农田面积大，化肥流失严重，畜禽养殖规模较大，氮、磷等污染物入河系数高.工业污染、农业面源污染与畜禽养殖污染排放入河的大量污染物是造成海河流域氮污染严重的主要原因.海河流域河流氮污染现状仍然严重的同时，污染整体却呈现好转的趋势，尤其2009年以来，TN与NH4+-N浓度整体下降，NH4+-N劣V类站点比例逐渐减少.海河流域“十一五”水专项的组织实施与城镇污水处理率的提高是氮污染好转的主要原因.国家“水专项”在“十一五”期间组织实施了海河流域水环境质量改善项目，以消减污染负荷(降低COD、氨氮、总氮、总磷排放总量)、控制水污染趋势、改善区域水环境质量为关键指标，重点开展了产业水污染、城市水污染的治理以及非常规水资源(再生水、雨水、浅层微咸地下水)的开发利用.至2009年，海河流域已建成并投入运行的城镇污水处理厂有307座，总处理能力达1610万t · d-1，分别占全国的15.4%和16.00%;非常规水资源利用量为11.06亿m3，较2000年增加了204.7%.全流域污水处理率以及非常规水资源利用的增加促进了海河流域河流氮污染状况的改善.5 结论1)海河流域氮污染现状仍然严重，2011年TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N平均浓度分别为7.92、4.25、1.28、0.013 mg · L-1，超标现象严重.在空间分布上，氮污染呈现出明显的沿山区-平原方向上升的分布特征，污染较重的区域主要集中在海河干流水系、北三河水系和子牙河水系.2)海河流域河流水体中TN浓度与NH4+-N、NO3--N、NO2--N浓度呈现极显著正相关(p<0.01)，TN浓度的变化趋势受到NH4+-N、NO3--N、NO2--N浓度的很大影响，其中受NH4+-N浓度变化的影响较大.3)NH4+-N是海河流域氮污染的主要污染因子，NH4+-N浓度变化趋势整体上表现为劣V类站点比例逐渐减少，由2000年的28.87%降为2011年的17.56%，劣V类站点NH4+-N的平均浓度由2000年的7.91 mg · L-1降为2011年的6.50mg · L-1，向IV、V类甚至更高水质标准转变.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。
2019年6月第2期葛洲坝集团科技总第130期常规生物脱氮原理及好氧颗粒污泥脱氮应用特点杨贞武、钟晨中国葛洲坝集团水务运营有限公司摘要：利用活性污泥进行污水处理已经存在了100多年，本文以活性污泥法为例，重点介绍了生物脱氮的基本原理及存在的脱氮工艺。
同时，本文针对活性污泥近年来出现的一个分支好氧颗粒污泥的脱氮特点与应用进行了介绍。
以期为污水处理厂的生物脱氮和新技术的脱氮情况提供参考。
关键词：活性污泥法；好氧颗粒污泥；生物脱氮1简介废水中的氮素对水生生命具有毒性，会导致受纳水体的溶解氧消耗和水体富营养化，因此，废水在排放前进行脱氮处理非常有必要。
多种物理化学 和生物的方法能够去除废水中的氮素，但采用生物脱氮的方法较其他方法具有更有效、费用更低廉、运行更稳定的优点，因此，生物脱氮在全世界范围内被广泛使用。
通常，污水生物脱氮包含好氧条件下的硝化反应和缺氧条件下的反硝化反应两个阶段，前一个阶段指溶解性可生物降解有机氮通过异养细菌的氨化作用转化为NH4-N,然后在好氧的条件下硝化菌将NH4-N氧化为亚硝态氮或者硝态氮；第二个阶段是指在缺氧条件下，反硝化细菌将亚硝态氮或硝态氮还原为氮气并从水中去除，从而实现废水脱氮的目的。
目前，使用最为广泛的是采用普通活性污泥法的传统生物脱氮工艺，它有几点制约因素：（1）根据脱氮的原理，传统工艺将硝化和反硝化过程从时间和空间上分开进行，导致工艺流程较长，占地面积大，同时污泥和污水需进行回流，增加了动力消耗和运行费用；（2）在传统脱氮工艺中，硝化细菌生长速率慢，导致在反应器内难以维持较高浓度的生物量，并且很多有毒有害物质能抑制硝化菌的生长，导致硝化过程持续时间长，脱氮负荷较低；（3）当废水中有机碳含量或C0D/N较低时，反硝化过程会因碳源不足而受影响，需要投加碳源作为电子供体强化反硝化脱氮，导致处理费用增加。
因此，如何克服这些传统脱氮过程的制约因素，开发高效低能耗的生物脱氮技术显得十分重要。
北京北运河水系水质污染特征及污染来源分析北京北运河水系水质污染特征及污染来源分析近年来，随着城市化进程的加速，北京北运河水系面临着严重的水质污染问题。
本文将从水质污染的特征和污染来源两个方面进行分析。
一、水质污染的特征1.化学污染物浓度超标通过对北运河水样的监测，发现其中多种化学污染物的浓度超过了国家标准，例如重金属、农药残留等。
这些化学污染物的存在不仅会对水生生物造成直接的伤害，还可能通过食物链进一步影响人类健康。
2.富营养化北运河水系水域周边的农田、城市排污口等源头排放的养分，使水体中的氮、磷等富营养化物质浓度升高。
这导致水体中的藻类和水草等植物大量繁殖，形成蓝藻水华和水生植被堆积。
这些富营养化现象不仅破坏了水体生态平衡，还使水体的水质变差。
3.微生物污染北运河水系水体还存在大肠菌群等微生物的污染现象。
这些微生物的存在表明水体受到了来自农田、畜禽养殖场等农业活动的污染。
大肠菌群的存在使得水体中潜在的病原微生物的风险增加，对人体健康构成潜在威胁。
二、污染来源分析1.农业活动排放农田中使用的化肥和农药成分，在降雨的冲洗下，沿着农田坡面流入北运河水系水中。
这些化肥和农药的排放量及浓度高低直接关系到水质的好坏。
此外，农田中畜禽养殖场排放的大量养分和粪便也是水质污染的重要来源之一。
2.城市污水排放城市中的污水、工业废水和生活垃圾直接或间接地进入北运河水系，造成水体富营养化、化学污染等问题。
尤其是城市化进程加快后，城市面积增大，污水排放量也相应增加，给水质污染带来了更大的压力。
3.自然因素北运河水系水质污染问题还与自然因素相关。
如一些陡坡、山地、裸露土壤等容易出现水土流失，导致大量的泥沙和养分进入水系。
同时，长时间的干旱或降雨不均也会对水体的水质造成一定的影响。
三、污染治理对策为了改善北运河水系的水质，应采取以下措施：1.强化农业面源污染治理，推广科学耕作和生态农业，减少化肥、农药的使用量。
加强农业废弃物的资源化利用，减少农业活动对水体的污染。
脱氮中微生物的作用脱氮中微生物是指一类具有脱氮能力的微生物，它们主要通过氮素代谢途径，将有机物中的氮转化为气态氮，使之从生态系统中释放。
脱氮中微生物的作用对于生态系统的健康和可持续性有着重要的影响。
以下是脱氮中微生物的作用。
1. 氮素循环：脱氮微生物能够将有机物中的氮（尤其是蛋白质和核酸）转化为氨和硝化物，并最终通过反硝化作用将硝酸根还原为氮气。
这个过程被称为氮素循环，它是地球氮素循环的重要组成部分。
脱氮中微生物通过这个过程控制着土壤中氮素的矿化和固定，将生态系统中的氮素维持在一个平衡状态。
2. 减少重金属的污染：脱氮中微生物能够通过选择性吸附和生物转化来减少重金属的污染。
这些微生物在土壤和水体环境中吸附重金属离子，并利用它们作为能源和电子受体进行代谢。
通过这个代谢过程，重金属离子被转化为无害的沉淀物或氧化物。
3. 控制温室气体的排放：脱氮中微生物能够通过减少氧气的供应，降低土壤中微生物呼吸的速率，从而减少温室气体的排放。
这些微生物能够将有机物中的碳转化为二氧化碳和氮气，从而减少了温室气体的排放量。
4. 降低土地沙化的速度：脱氮中微生物能够通过增加土壤有机质水平来防止土地沙化。
这些微生物通过代谢作用，在土壤中形成有机质，并提供一个良好的土壤微生物群落环境。
这个过程有助于改善土壤的结构和保持水分，并减缓了土地沙化的速度。
5. 保持土壤健康：脱氮中微生物能够通过与土壤中其他微生物相互作用来维护土壤的生态平衡。
这些微生物能够产生一系列有益物质，包括酶、激素和其他代谢产物，有助于保持土壤健康和农作物生长。
总之，脱氮中微生物在地球生态系统中发挥着重要的作用。
通过这些微生物的高效作用，我们可以减少温室气体的排放、减缓土地沙化的速度、减小环境污染以及维持生态系统的平衡和稳定。
因此，对脱氮中微生物的研究和保护对于实现生态环境可持续发展具有重大意义。
中国环境科学 2016,36(5)：1520~1529 China Environmental Science 北运河沉积物中主要脱氮功能微生物的群落特征鲍林林1,2,3,王晓燕1,4*,陈永娟1,张苓荣1 (1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048；2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085；3.中国科学院大学,北京 100049；4.首都师范大学首都圈水环境研究中心,北京 100048)摘要：应用分子生物学技术研究北运河沉积物中主要脱氮功能微生物,反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌(Anammox)的群落特征,探讨了微生物群落的季节变化及其与环境因子的响应关系.结果表明,沉积物中反硝化细菌和Anammox的丰度和群落组成随季节变化差异显著.从夏季到冬季,反硝化细菌丰度逐渐增加,Anammox的丰度却逐渐降低;反硝化细菌的多样性均显著的高于Anammox的多样性,反硝化细菌是北运河沉积物中主要的脱氮微生物.从夏季到冬季,沉积物中氮和TOC含量均逐渐升高,温度是决定脱氮微生物群落特征季节变化的关键因子,TN与反硝化细菌的群落丰度显著正相关,C/N与Anammox的丰度显著正相关;反硝化细菌的群落结构主要受到硝氮和pH的影响,pH也是影响Anammox物种时空分布的主要因子.系统发育分析表明,两种脱氮微生物的主要类群均具有较高的耐污性和良好的脱氮效率,反硝化细菌主要从属于Pseudomonas和Halomonas, Anammox物种发育多样性较低,主要为浮霉菌门的Candidatus Brocadia.关键词：北运河沉积物；反硝化细菌；厌氧氨氧化细菌；季节变化；环境因子；系统发育中图分类号：X172 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2016)05-1520-10Diversity, abundance and distribution of nirS-type denitrifiers and Anammox bacteria in sediments of Beiyun River. BAO Lin-lin1,2,3, WANG Xiao-yan1,4*, CHEN Yong-juan1, ZHANG Ling-rong1 (1.College of Resources, Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China；2.State Key Laboratory of Urban and R egional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；4.Research Center of Aquatic Environment in the Capital Region, Capital Normal University, Beijing 100048, China). China Environmental Science, 2016,36(5)：1520~1529Abstract：Denitrification and anaerobic ammonia oxidation are two main processes for nitrogen removal in nitrogen cycle. The seasonal variation of community diversity and abundance, phylogenetic composition of nirS-type denitrifiers and Anammox (anaerobic ammonia oxidation) bacteria of sediments in Beiyun River were compared based on PCR (polymerase chain reaction), T-R FLP (terminal restriction fragment length polymorphism), clone and sequencing. The abundance of nirS-type denitrifiers increased from summer to winter while the abundance of Anammox bacteria decreased significantly. What’s more, the abundance of nirS-type denitrifiers was significantly higher than Anammox in fall and winter. Community composition of the two microbial groups varied seasonally and the community diversity of nirS-type denitrifiers was much higher than Anammox bacteria. Concentrations of nitrogens and organic carbon in the sediments increased significantly from summer to winter. Environmental temperature was significantly correlated with the seasonal changes of abundance and community distribution of the two microbial groups in sediments. Correlation analysis revealed that total nitrogen had a great effect on the abundance of nirS-type denitrifiers, while C/N was significantly correlated with abundance of Anammox bacteria. NO x− and pH were also the main environmental factors determining the community distribution of nirS-type denitrifiers and Anammox bacteria in sediments. Phylogenetic analysis revealed that most of the denitrifying microbes belonged to species with relatively high pollution-resistance and efficiency of nitrogen removal. Phylogenetic diversity of nirS-type denitrifiers was much higher than that of Anammox bacteria. nirS-type denitrifiers were grouped into genera Pseudomonas and Halomonas, while Anammox was mainly bacteria belonged to Candidatus Brocadia.Key words：Beiyun River sediment；nirS-type denitrifiers；Anammox；seasonal change；environmental factors；phylogeny 收稿日期：2015-10-08基金项目：国家自然科学基金项目(41271495);国家重大水专项(2009ZX07209-001-02)* 责任作者, 教授, wangxy@5期鲍林林等：北运河沉积物中主要脱氮功能微生物的群落特征 1521人为活动的日益增强已经明显加速了氮的循环,过量氮素进入生态系统容易引发一系列全球性环境问题[1].对水生态系统来说,氮素造成的水体富营养化问题以及氮循环微生物对氮素的迁移转化作用越来越受到人们关注.氮循环中反硝化作用和厌氧氨氧化作用是去除环境中过量氮素的两个主要过程,分别由反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌(anaerobic ammonia oxidation bacteria, Anammox)所驱动[2-3].反硝化细菌一直是环境中脱氮的主要微生物,而越来越多的研究发现,Anammox广泛的存在于海洋、土壤和湖泊等生态系统中,也具有比较可观的脱氮贡献[4].这2种脱氮微生物在环境中的群落特征和生态功能对全球氮循环的平衡具有重要作用.利用分子生物学技术,反硝化细菌nirS基因和Anammox的16S rRNA基因或肼氧化还原酶(hydrazine oxidoreductase, hzo)基因常被作为两种微生物的分子标记,以研究其在环境中的群落特征和生态功能[2,5].环境温度、污染物质浓度和溶氧等[6]都是影响这两种脱氮微生物群落结构和生态功能的重要因子.已有的研究主要探讨了河流沉积物中反硝化细菌和Anammox的活性特征[2,7-8]和脱氮效率[3-4,9],而河流生态系统中两种脱氮微生物群落特征的综合对比分析,潜在的生态功能差异和脱氮贡献,及其与环境因子的响应关系还需要深入的研究.城市河流受人类生产生活干扰剧烈,是氮污染最为突出的区域[10],其水体流速缓慢,污染物质富集于淤积的沉积物中,极易造成二次污染.所以,沉积物中脱氮微生物的群落特征和生态功能直接关系到河流生态系统污染氮素的有效转化和去除.北运河是典型的城市河流,是北京市主要的排污泄洪河道,水体氨氮严重超标,河床沉积物中也储存了大量氮素[11].通过研究北运河沉积物中反硝化细菌和Anammox的群落结构及其季节变化特征,分析微生物群落与环境因子的响应关系,以探讨两种脱氮微生物在城市河流沉积物中的潜在作用和功能差异,为河流生态系统氮素的去除及污染控制提供科学依据. 1材料与方法1.1样品采集和理化分析沿北运河京区流域范围内水系干流上选择4个采样点,如图1所示,包括马坊桥(1)、坝河口(2)、榆林庄桥(3,凉水河口)和杨洼闸下游(4).分别于2013年7月(夏季)、10月(秋季)和2014年2月(冬季),采集河流表层沉积物(3~5cm).利用便携式柱状采泥器,每个样点断面随机多点抓取河床沉积物,并取其表层部分均匀混合为1个样品,样品用无菌袋封装并4℃冷藏运输.分子实验使用样品﹣20℃冻存,其余样品用作理化参数测定.沉积物的pH值、氨氮(NH4+-N)、亚硝氮(NO2−-N)和硝态氮(NO3−-N),以及总氮(TN)和总有机碳(TOC)的测定方法参考文献[12].图1 采样点分布Fig.1 The distribution of sampling sites1.马坊桥;2.坝河口;3.榆林庄桥;4.杨洼闸后1.2 微生物PCR扩增和多态性分析采用Power Soil DNA试剂盒(MO B I O Laboratories I nc.,美国)提取沉积物(0.3g湿样)总DNA,即PCR扩增的模板DNA.反硝化细菌的PCR 扩增引物为针对亚硝酸盐还原酶基因(nirS)的nirS1522 中国环境科学 36卷1F和nirS 6R,并根据降落PCR的方法进行nirS基因扩增[13-14].Anammox采用巢式PCR,先由引物Pla46f和630r对浮霉菌属进行扩增,再将所得产物作为模板,由特异性引物Amx368f和Amx820r进行Anammox的16S rRNA基因的扩增[7,15].PCR扩增引物序列及相应温度程序如表1所示.用于T-RFLP分析的PCR产物,对前引物(nirS 1F和Amx368f)的5’端进行羟基荧光素(FAM)标记,采用限制性内切酶Takara HhaⅠ(宝生物工程有限公司,大连)酶切以进行群落多态性分析[12].表1PCR扩增引物序列及相应的温度程序Table 1 Primers and procedures for PCR amplification目的基因引物引物序列(5’-3’) 温度程序nirS 1F CCTAYTGGCCGCCRCART nirSnirS 6R CGTTGAACTTRCCGGT 95℃,5min;[95℃,30s;60℃(−0.5℃/circle),30s;72℃,1min]×10;(95℃,3 0s;55℃,30s;72℃,1min) ×25;72℃,7minPla46f GGATTAGGCATGCAAGTC16S rRNA630r CAKAAAGGAGGTGATCC95℃,3min;(95℃,1min;56℃,1min;72℃,1min)×30;72℃,10minAmx368f TTCGCAATGCCCGAAAGG16S rRNAAmx820r AAAACCCCTCTACTTAGTGCCC95℃,3min;(95℃,1min;52℃,1min;72℃,1min)×30;72℃,10min1.3微生物的定量和克隆序列分析反硝化细菌的定量分析仍以nirS基因为标记,而Anammox定量分析以hzo的拷贝数表示,所用引物为hzocl1F1(TGYAAGACYTGYCAY- TGG)和hzocl1R2(ACTCCAGATRTGCTGAC- C)[16].采用SYBR Green法,对nirS和hzo基因进行绝对定量分析(实时荧光定量PCR,RT-qPCR),定量结果为3次测试的平均值.通过蓝白斑筛选微生物的阳性克隆子,并将测试序列提交至NCBI数据库,获取序列登陆号(反硝化细菌:KJ777836-KJ778008和KM406982- KM406998;Anammox:KM008745-KM008972).利用DOTUR软件对反硝化细菌和Anammox进行独立操作单元(operational taxonomic unit, OTU)的划分,并建立相应的克隆文库,以邻位相接法(neighbor-joining)构建包括北运河沉积物的检测序列和已发表参比序列的系统发育树.1.4数据分析采用SPSS16.0、OriginPro8.1等软件对数据进行处理.整理后的T-RFLP片段种类数据由PRIMER5.0软件进行微生物群落的香农多样性(Shannon-Weiner,H’)分析.使用Canoco for Windows 4.5软件,对微生物群落的时空分布及其与沉积物环境因子的响应关系进行典范对应分析(canonical correspondence analysis, CCA).2结果与分析2.1沉积物理化参数表2表层沉积物的理化性质Table 2 Physical and chemical properties of sediments样品编号pH值NO x−-N(mg/kg)NH4+-N(mg/kg)TOC(g/kg)TN(g/kg)C/N S1 6.78 43.1529.8432.30 3.63 8.91 S2 7.77 11.39 6.59 15.20 2.28 6.66 S3 7.38 6.26 13.7656.40 4.90 11.51 S4 7.71 21.517.62 7.30 1.15 6.36 均值7.41 20.5814.4527.80 2.99 8.36F1 7.18 68.8357.1544.00 7.73 5.69F2 7.46 8.23 2.86 23.00 2.69 8.56F3 7.37 29.868.67 14.90 2.62 5.69F4 7.41 19.43 4.95 4.04 1.61 2.51均值7.36 31.5918.4021.48 3.66 5.61 W1 7.61 46.0356.0740.15 5.91 6.80 W2 7.39 14.1114.0350.68 6.24 8.12 W3 7.65 95.8111.8222.04 4.51 4.89 W4 7.56 41.4811.7122.94 4.44 5.17 均值7.55 49.3523.4133.95 5.27 6.24 注:S, Summer,夏季; F, F all,秋季; W, Winter,冬季; NO x−,为NO2−+NO3−;C/N为TOC与TN的比值,下同.各季节沉积物的主要理化参数如表2所示.5期鲍林林等：北运河沉积物中主要脱氮功能微生物的群落特征 1523此外,夏季、秋季和冬季的沉积物上覆水的平均温度(T)分别为28,12,2,℃北运河沉积物pH值范围6.78~7.77.虽然北运河水体以NH4+污染为主,但在沉积物中,除了夏季3号样点(S3)和冬季1号样点(W1)外,其余各样点的硝氮(NO x−, NO2−-N与NO3−-N的总量)的含量均明显高于NH4+.总体看来,夏季到冬季沉积物中各类污染物质含量逐渐增加,可能与其污水处理厂退水和再生水补给为主[11]有关,秋冬季降雨补给减少,污染稀释作用降低.位于杨洼闸下游4号点的沉积物(S4、F4和W4)中,TOC和TN的含量均相对低于其他样点.此外,TOC和TN的含量存在显著的正相关关系(P < 0.05).2.2群落丰度的季节变化如图2所示,nirS基因的拷贝数夏季最低(1.39×107~9.32×107copies/g),秋季次之(1.79× 1010~1.3×1011copies/g),冬季最高(5.9×1010~ 3.34× 1011copies/g);而hzo基因的拷贝数夏季最高(1.03×107~9.37×107copies/g),秋季次之(1.01× 104~1.09×104copies/g),冬季最低(0~1.00× 104copies/g).综合看来,夏季沉积物中反硝化细菌和Anammox的群落丰度相当,而秋、冬季时反硝化细菌群落丰度明显高于Anammox.由表3可见,不同季节中,各理化参数对微生物群落丰度的影响作用不同.夏季,沉积物TOC 含量、C/N与反硝化细菌、Anammox的丰度均具有显著正相关关系,Anammox的群落丰度还与沉积物TN含量相关;秋季,各形态氮素含量和pH值均对反硝化细菌的丰度具有显著影响,而与Anammox的丰度没有显著相关性;冬季,仅pH 值与反硝化细菌的丰度显著负相关,Anammox 的丰度与TOC、TN含量显著正相关.综合看来, T 是2种脱氮微生物的群落丰度季节变化的关键因子,反硝化细菌和Anammox的群落丰度分别与TN含量和C/N的变化相关性较高.图2 沉积物中nirS和hzo基因的拷贝数(copies/g) Fig.2 Average gene copies of nirS and hzo in differentseasons表3群落丰度与环境因子的Pearson相关性Table 3 Pearson’s correlations between microbial abundance and environment factors季节微生物 pH值 NO x−-N NH4+-N TOC TN C/N T 反硝化细菌 ns ns ns 0.97* ns 0.97*-SAnammox ns ns ns 0.98* 0.97* 0.99**-反硝化细菌-0.99** 0.99* 0.99** ns 0.97* ns -FAnammoxns ns ns ns ns ns -反硝化细菌-0.99** ns ns ns ns ns -WAnammox ns ns ns 0.95* 0.99* ns -反硝化细菌ns ns ns ns 0.60* ns -0.55*总Anammoxns ns ns ns ns 0.75* 0.67*注: * P<0.05, ** P<0.01; ns,无显著性.2.3群落组成的多样性表4为北运河沉积物反硝化细菌nirS基因和Anammox 16S rRNA基因的T-RFLP片段数目,及其群落多样性指数.一个T-RF片段至少代1524 中国环境科学 36卷表一种相应的微生物,群落结构可由T-RFs的组成表征.各样点检测出反硝化细菌的T-RFs 12~20种,Anammox的T-RFs 1~12种,反硝化细菌的群落多样性显著高于Anammox的多样性.秋季,反硝化细菌的T-RFs数量最多,多样性指数最低,但是夏季其T-RFs最少时多样性指数最高.秋季和冬季沉积物中Anammox的群落多样性均高于夏季的群落,其中S3和S4样品的Anammox主要检测出一种T-RF,多样性最低.Pearson相关分析表明,仅冬季的Anammox 群落多样性与沉积物NO x−存在显著相关性(r = 0.99,P < 0.05).图3为物种与环境因子的CCA双轴图,反映了脱氮微生物群落主要T-RFs种类(相对丰度大于6%)的时空分布特征,及其与沉积物主要环境因子的响应关系.如图所示,反硝化细菌和Anammox的主要物种分布均具有显著的季节分异,冬、夏两季的物种组成差异最大,而且夏季各沉积物样点之间的微生物群落结构差异也比较大.表4脱氮微生物功能基因的T-RFs和多样性Table 4 T-RF fragments and diversity of nirS and 16SrRNA genes反硝化细菌AnammoxT-RFs H’ T-RFs H’S1 132.0512 1.80S2 122.04 7 1.01S3 121.92 1 0S4 122.01 1 0总 232.60 18 1.40F 1 121.81 11 1.76F 2 202.3812 1.81F 3 121.91 7 1.50F 4 121.46 6 0.84总 342.26 22 1.81W2 132.18 6 1.13W3 182.43 8 1.55W4 162.06 7 1.31总 282.41 16 1.80 2.4群落结构特征和因子响应--1.0 1.0-1.01.0AX2图3 反硝化细菌和Anammox主要T-RFs种类分布与沉积物环境因子的关系Fig.3 CCA between dominant T-RFs and sediment environmental factors■ 夏季样点; ◆秋季样点; ● 冬季样点; △ T-RFs种类反硝化细菌CCA前四个排序轴的总解释度为86.3%,AX1和AX2对物种—环境因子相关性的解释度分别为37.8%和19%,影响群落时空分布的主要因子有与AX1相关度较高的pH(-0.72)和与AX2相关的T(-0.75)和NO x−(0.66);Anammox的CCA前四个排序轴的总解释度为88.5%,AX1和AX2对物种—环境因子相关性的解释度分别为35.5%和28%, T(0.86)与AX1存在较高的相关性,而pH(0.63)与AX2相关.总体看来, pH值和T是影响反硝化细菌和Anammox群落物种时空分布的主要环境因子.2.5系统发育特征对夏季各沉积物中反硝化细菌(0.05的分异5期 鲍林林等：北运河沉积物中主要脱氮功能微生物的群落特征 1525度)和Anammox(0.02的分异度)进行了克隆文库的系统发育分析.图4所示为反硝化细菌的系统发育树,根据其系统发育关系,主要划分为两支.Cluster A 包含了43%的克隆序列,其发育多样性高于Cluster B,主要与各种沉积物环境来源的序列相似性较高.Cluster A 又可分为两个亚支,大部分的序列属于Cluster A1,而Cluster A2主要包含1号样点的克隆序列,其与发现于碱性咸水湖泊的Halomonas sp. HGD1[17]同源性较高.Cluster B 主要由2、3号样点的序列组成,与活性污泥和反应器环境中的类群同源性较高,而且2号样点的所有序列属于这个分支.此外,2号样点的序列2d20及同一OUT 的其他27个克隆序列与水稻根系土壤中检测出的Pseudomonas stutzeri RCH2的相应片段具有83%的相似性,而序列2d16与Thauera terpenica 58Eu 具有91%的相似性[18].3d20(KJ777855) (2)4d13(KJ777881) (4)3d41(KM406996) (2)Sediment of East Lake (JX852522)SNAD sludge (KC569503)Sediment of a constructed wetland (EF558393) 1d22(KJ777958) (2)1d6(KJ777942) (4)4d4(KJ777872) (2)1d15(KJ777951) (2)San Francisco Bay estuary sediment (GQ453846) Chesapeake Bay Sediment (DQ676127)Soil (EU442502)4d31(KJ777899) (2)Soil (AM419602)Jiao zhou Bay sediment (EU048513)Coastal sediment (DQ159586) 3d1(KJ777836) (2)Landfilled refuse (KC412680)1d19(KJ777955) (2)Halomonas sp. 4CR (GQ384045) 3d31(KJ777866) (2)Anaeobic-aerobic sequencing batch reactor (AB208104)Activated sludge (GU564865)Sediment in groundwater (EF177798)Pseudomonas stutzeri RCH2 (CP003071)2d20(KJ777993) (28)2d34(KJ778007) (1)2d16(KJ777989) (1)Simulated landfill bioreactor (JN024693)Thauera terpenica 58Eu (AY078266)999985705199 809873879899998969520.05Cluster B (sludge/sediment)Cluster A2Cluster A1Cluster A (sediment)图4 反硝化细菌nirS 基因序列的系统发育树Fig.4 Phylogenetic tree of nirS -type denitrifiers sequences and reference sequences from GenBank括号中粗体数字为OTU 内的序列数目,发育树分支节点上的数字为1000次Bootstrap 分析的发生概率(%),其中小于50%的值已在图中略去,左下方标尺为5%序列差异的分支长度,下同1526中 国 环 境 科 学 36卷1y16(KM008760) (8) SBR (JN006730)2y9(KM008797) (10)4y31(KM008907) (10)Candidatus Brocadia fulgida (JX243575)Constructed wetland soil (JF346212)Agricultural soil (JQ919051)Paddy soil (JN176685) Flooded paddy soil (JN176685) Cape Fear River Estuary sediment (FJ490119) High temperature oil reservoir (HM208773)4y35(KM008911) (11) 3y29(KM008862) (12)Wastewater treatment plant sludge (KJ436589)Upper Cape Fear River sediment (HM851589) Sediments of the Yangtze estuary (JX243635)1y14(KM008758) (8)Lake Rassnitzer water, 29 m depth (FJ830384) 2y19(KM008807) (8) Jiaojiang estuarine sediment (JN051530) Candidatus Brocadia fulgida (JX243329)Candidatus Brocadia fulgida (JX243637)4y29(KM008905) (4)Lake Kitaura sediment (AB624840)1y39(KM008783) (5)3y42(KM008875) (15)Hyporheic zone soil in Fuhe River (HM565016)Ground water of Zorra township, Ontario (JX392925)4y32(KM008908) (12)North Carolina groundwater (HM851666)Fertilized paddy soil (GU083895) 2y30(KM008818) (14) Peat soil (HQ637487)Candidatus Brocadia fulgida (JX243361)1y5(KM008749) (9) 3y8(KM008841) (12)7757575697 9999656491906173 61608559580.005Cluster ACluster BCandidatus Brocadia图5 Anammox 16S rRNA 基因序列的系统发育树Fig.5 Phylogenetic tree of Anammox bacterial 16S rRNA sequences and reference sequences from GenBankAnammox 的系统发育树也主要划分为两支(图5),Cluster A 包含了65.9%的测试序列,主要与土壤、沉积物以及活性污泥等环境来源的类群同源性较高,而Cluster B 与土壤和地下水等环境来源物种的相似性很高.Cluster A 和Cluster B 均与长江河口潮间带沉积物中的Candidatus Brocadia 属的序列[19]具有较高的同源性,可见,Candidatus Brocadia 是北运河沉积物中主要的Anammox 类群. 3 讨论3.1 脱氮微生物群落特征的季节变化对北运河夏季、秋季和冬季沉积物中脱氮微生物群落特征的研究表明,反硝化细菌的群落丰5期鲍林林等：北运河沉积物中主要脱氮功能微生物的群落特征 1527度明显高于Anammox.反硝化细菌一直是环境中主要的脱氮类群,而且群落丰度与脱氮微生物的活性具有正相关性[2,9],由此看来,具有显著丰度优势的反硝化细菌也是北运河沉积物中的主导脱氮微生物.长江河口湿地[19]和美国New River河口[2],其沉积物中主要的脱氮贡献者也均为反硝化细菌.此外,微生物群落丰度存在显著的季节变化,夏季到冬季反硝化细菌的丰度逐渐增加,Anammox的丰度却显著降低.已有研究也有类似的结果,辽河口沉积物中反硝化细菌的数量春季最多,秋季次之,夏季最少[14],且马恩河(法国)秋、冬季沉积物的反硝化活性高于春、夏季的活性[8],均表明干冷季节河流沉积物反硝化细菌群落丰度和相应的功能更具优势.莱州湾沉积物中的研究发现,冬季反硝化细菌的群落丰度更高,夏季的Anammox群落丰度高于冬季[5],太湖流域河流沉积物夏季和初秋的Anammox脱氮活性也高于冬季的活性[20],可见,与反硝化细菌相反, Anammox在暖湿季节的群落特征和功能活性更具优势.群落多样性的结果表明,北运河沉积物中反硝化细菌的群落多样性显著高于Anammox,进一步验证反硝化细菌在脱氮作用中的群落优势.此外,脱氮微生物的群落结构,尤其是Anammox,具有显著的季节分异.已有研究认为,沉积物微生物群落结构的季节分异,与河流季节性的温度和降水变化有关,如湿季(夏季)和干季(秋季)微生物的优势种类组成明显不同[21].3.2反硝化细菌和Anammox的物种进化特征环境中的反硝化细菌主要包括Pseudomonas、Paracoccus、Rhizobium和Achromobacter等类群[22],系统发育分析的结果表明,北运河沉积物大部分反硝化细菌的克隆序列(Cluster B)都与Pseudomonas同源.孔强等[23]曾在天津段北运河中分离培养了一株好氧反硝化细菌,鉴定其为Pseudomonas sp.,而且该类群具有良好的TN和NO3−降解效率.可见, Pseudomonas sp.类群是北运河沉积物中的主要反硝化细菌.此外,Cluster B中部分序列还与索氏菌属(Thauera)相关类群的相似性很高.Thauera 是广泛存在于各种类型废水处理装置中的功能类群[24],也含有nirS基因片段,具有亚硝酸盐还原功能,与Pseudomonas的nirS基因具有很高的相似性[18]. Cluster A主要与Halomonas的反硝化细菌同源.Halomonas是一类耐盐性很强的中度嗜盐菌,属于极端微生物,主要分布于高盐含量、污染的或碱性的环境中[25],Berendes等[26]就从城市的污水处理厂中分离出一株参与反硝化作用的Halomonas desiderata sp.,研究表明Halomonas 类群的反硝化细菌也具有显著的脱氮作用[17].在氮污染严重的北运河沉积物中,Pseudomonas、Halomonas和Thauera相关类群的反硝化细菌分布广泛,对北运河过量氮素的去除具有重要作用.浮霉菌门的Anammox主要包括Candidatus Brocadia、Kuenenia、Scalindua和Jettenia属,北运河沉积物中Anammox的主要发育类群从属于Candidatus Brocadia.研究表明, Candidatus Brocadia和Candidatus Jettenia是高氮含量的泥炭土壤中主要的Anammox [27],而且Candidatus Brocadia也是污泥反应器中的主要类群,能够耐受高浓度的NO2−,脱氮效果显著[28].由此看来, Candidatus Brocadia作为北运河沉积物中主要的Anammox类群,显著的耐污、脱氮特征也反映出其对北运河污染环境的适应和一定的脱氮贡献,当然,Anammox的脱氮贡献大小及其与反硝化细菌的共同作用,还需要进一步对脱氮活性进行定量研究.3.3主要环境因子的影响作用微生物的群落特征是与环境变化相互作用的结果.因子分析表明反硝化细菌的群落丰度与NO x−、NH4+和TN的含量具有显著正相关关系,其物种的时空分布也与NO x−相关.北运河水体流速缓慢,为沉积物反硝化细菌营造了较好缺氧环境,所以,氮素的可利用性是决定脱氮微生物群落结构和功能作用的重要因子.Zhao等[29]在太湖流域的研究发现,沉积物反硝化速率随NH4+含量的增加而升高,而且当高含氮污水排入河流时,氮素的去除效率也相应的提高;长江河口沉积物的反硝化细菌数量和反硝化速率也与NH4+浓度呈显著正相关关系[9].相关研究还表明,径流NO3−浓度1528 中国环境科学 36卷升高,水库内沉积物的反硝化活性随之升高[30],可见,氮相关营养盐水平对反硝化细菌的群落分布和功能活性具有重要的影响作用[31-32].研究表明,Anammox在氧化还原过渡区NH4+和NO3−共存的环境条件下分布更为广泛,氮的可利用性对Anammox的生长也很重要[33].但是,莱州湾河口沉积物的Anammox群落丰度与NO3−含量呈负相关[5],东江沉积物中的研究也发现,Anammox的丰度与NO2−显著负相关[34],这可能与过高的氮含量对沉积物Anammox群落生长具有抑制作用有关[35].从本文的研究结果看来,NO x−与NH4+的含量从夏季到冬季逐渐升高, Anammox群落丰度也逐渐降低,虽然两者之间并没有显著的相关性,但氮含量增加与Anammox群落丰度的具体响应值得深入探讨.因子分析结果还表明,沉积物C/N的值与Anammox的群落丰度显著正相关,已有研究表明在污水处理系统中,Anammox在高氨氮低C/N(2左右)的条件下才具有较高脱氮效率[36],可见,北运河沉积物C/N含量与Anammox的群落功能可能也存在积极的响应关系,有待进一步论证.此外,有机质含量对脱氮微生物群落特征也有一定的影响作用,钱塘江沉积物中有机碳是决定沉积物Anammox分布和群落多样性(负相关)的主要因子[37],东湖沉积物有机质的含量与nirS 基因拷贝数正相关[38],本文表明夏、秋季的TOC 与微生物群落丰度具有显著的响应关系.季节性的温度变化对反硝化细菌和Anammox群落丰度和物种时空分布的影响作用最为显著,综合河流水文化学的季节性变化,脱氮微生物与环境因子的响应更为复杂,所以,要阐明其与脱氮微生物相互作用的具体机制,还需要更深入的全面的探究. 4结论4.1从夏季到冬季,北运河沉积物中主要氮含量和TOC逐渐增加,受闸坝上游水体的拦截作用和闸坝下游水体流速激增的扰动影响,4号样点沉积物中的TOC和TN含量相对较低.反硝化细菌的群落丰度从夏季到冬季逐渐增加,Anammox 丰度却显著降低;两种微生物的群落结构具有显著的季节差异.反硝化细菌的群落多样性显著高于Anammox的多样性.综合看来,反硝化细菌是北运河沉积物中主要的脱氮微生物.4.2季节变化是影响反硝化细菌和Anammox 群落丰度和物种组成的关键因子,TN和C/N分别与反硝化细菌和Anammox的群落丰度显著正相关,反硝化细菌的群落结构主要受到硝氮和pH值的影响,pH值也是决定Anammox群落物种时空分布的主要因子.4.3系统发育分析表明,水体氮污染严重的北运河中,沉积物的脱氮微生物类群都具有良好的耐污性和较高的脱氮效率,反硝化细菌主要与沉积物和活性污泥等环境中的类群同源,从属于Pseudomonas和Halomonas;Anammox与土壤、沉积物、活性污泥和地下水等来源的类群相关,主要为浮霉菌门的Candidatus Brocadia.参考文献：[1] Fowler D, Coyle M, Skiba U, et al. 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