补充再生水的富营养化城市湖泊中固氮微生物群落的季节结构及潜在生物固氮

《Journal of Hazardous Materials》：Seasonally structured diazotrophic communities and potential biological nitrogen fixation in a eutrophic urban lake replenished with reclaimed water

　　

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  在持续氮富集条件下，各季节均检测到基于乙炔还原法（ARA）测定的潜在固氮活性。
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  潜在固氮活性的季节变化与碳氮比（C/N）、水温和溶解氧浓度相关。
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  季节性反复出现的携带nifH基因的OTU表明潜在固氮菌群落的动态具有时间结构化特征。
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  共培养实验表明，在受控条件下，藻类生长与更高的潜在固氮活性之间存在关联。
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  潜在生物固氮（BNF）可能有助于回用水补给的富营养化城市湖泊内部氮循环。

引言

城市湖泊越来越多地利用再生水进行补水，以维持景观水位并支持城市水资源循环利用。然而，再生水补给可持续输入氮（N）、磷和溶解性有机质（DOM），从而促进受纳湖泊中的持续营养盐富集[1]、[2]。

生物固氮（BNF）是由微生物介导的将大气中的二氮（N₂）转化为铵氮（NH₄⁺-N）的过程，从而维持初级生产力并调节全球氮循环[3]。尽管BNF已在土壤和海洋生态系统中得到广泛研究，但其在内陆湖泊和水库中的研究相对不足[4]、[5]、[6]、[7]。氮富集通常被认为会抑制BNF，这可能导致在富营养化系统中BNF被低估[8]。然而，这一假设是否适用于利用再生水补给的城市湖泊仍不确定。

近期研究表明，在营养盐富集的水体中可发生可观的BNF，例如奇雄河[9]、胶州湾[10]和伊利湖[11]。全球评估进一步表明，受人类影响的内陆水体中BNF贡献量可达24 Tg N yr^-1，占海洋外水生固氮的近60%[4]。这些发现共同表明，内陆水体中的BNF比此前认为的更为普遍，且富营养化环境中的BNF可能受简单氮限制以外的机制调控。BNF可能不仅是对氮缺乏的被动响应，还可能作为一种代谢策略，帮助固氮菌在生态胁迫下维持胞内氧化还原平衡[4]、[12]。然而，在氮富集湖泊中维持固氮菌活性和群落稳定性的生态机制仍知之甚少。

固氮菌演替和固氮策略比此前假设的更为动态和复杂。BNF可表现出对环境周期性变化的时间变异性。例如，固氮蓝藻在时间上将固氮与光合作用分离，以优化细胞能量利用[13]。基于乙炔还原法（ARA）测定的潜在固氮速率（以下简称NFR）和固氮菌群落组成也可在河流中随季节变化。这种时间变异性可能通过时间生态位分化减轻资源竞争并促进群落稳定性[9]。然而，目前对这一现象的理解主要来源于对固氮蓝藻的研究[13]、[14]。相比之下，异养固氮菌的时间动态及其在富营养化水体中对氮循环的贡献仍缺乏充分描述，制约了对氮富集条件下BNF持续性的机制解释。富营养化湖泊中的固氮菌群落是否形成季节性反复出现的状态，以及生态组装过程如何促成其季节性重组，仍不明确。

除时间调控外，固氮菌群落的组成和功能多样性从根本上塑造了固氮潜力[15]、[16]、[17]。固氮菌受多种环境因素影响，包括氮负荷、水温（WT）和溶解氧（DO），这些因素共同制约BNF并重塑群落组成[18]。在富营养化条件下，蓝藻和异养固氮菌可共存并表现出功能互补性，而其相对优势可能随时间推移按照时空生态位分化而发生变化[8]、[19]。固氮蓝藻（如Aphanizomenon sp.、Dolichospermum sp.）可通过上调固氮（nif）基因和磷转运（pst）基因来增强固氮[20]。异养固氮菌被认为是营养盐富集条件下BNF持续性的主要贡献者之一，特别是在固氮蓝藻受到限制或竞争力较弱的时期或微环境中[8]、[9]。然而，异养固氮菌的生态作用及其活动相关机制仍缺乏充分解析（[5]；Zhang et al., 2024c）。

在富营养化水体中，藻华与有机物积累、氧气变化和微生物群落结构转变密切相关[10]、[21]。再生水补给可能通过持续向浅水城市湖泊输入营养盐来进一步维持这种富营养化背景。因此，持续的营养盐富集与环境条件的季节性变化可能共同影响固氮菌群落动态。然而，异养固氮菌对这些综合影响的响应仍知之甚少[9]。因此，有必要研究持续营养盐富集和季节性环境变异性与再生水补给城市湖泊中异养固氮菌动态和潜在BNF之间的关系。

为填补这些知识空白，本研究以西安湖为对象，该湖是一座利用再生水补给的典型富营养化城市湖泊，且长期处于营养盐富集状态。本研究将季节性野外观测与实验室共培养实验相结合，考察了NFR、携带nifH基因的固氮菌群落动态以及一种异养固氮菌与模式藻共培养时的响应。具体而言，我们的目标为：（1）表征物理化学条件与NFR的季节变化，并识别与NFR变异相关的环境因子；（2）考察携带nifH基因的固氮菌群落的季节演替、季节性反复出现的固氮菌OTU以及组装过程；（3）评估在不同氮水平下，与模式藻共培养是否影响可培养异养固氮菌的潜在BNF和nifH基因丰度。这些发现有望为再生水补给的富营养化城市湖泊中的潜在内部氮循环提供新的见解。

章节摘要

研究场地与采样

西安湖位于中国陕西省渭河北岸（34.39-34.40°N；108.88-108.92°E）。它是西安最大的利用再生水补给的景观湖泊，水面面积约1.0 × 10⁶ m²，平均水深1.8 m。湖泊主要通过污水处理厂产生的再生水补给。在湖泊入口、中部和出口处设置了三个采样点，分别代表外部输入区、

水样的物理化学特征

西安湖的物理化学特征表现出显著的空间异质性。WT随季节变化，冬季为3.6 °C，夏季为29.9 °C，全年水体呈碱性（pH 7.61-9.40）。DO（5.50-9.89 mg L^-1）和ORP（62-184 mV）呈现相似的季节性变化模式（图S3）。TN和NO₃^?-N浓度在S1点始终最高，这与其靠近再生水入口和相应的外部营养盐负荷有关。The

C/N化学计量比、水温和DO与季节性潜在生物固氮相关

结果表明，即使在氮丰富的富营养化湖泊中，基于ARA测定的潜在NFR仍可检测。为将这些发现置于更广泛的背景下，我们汇总了来自富营养化系统的已发表NFR数据，包括河流[9]、[33]、湖泊[34]、[35]以及沿海水域或河口[8]、[10]、[18]、[36]（图1b）。总体而言，这些研究表明BNF可代表富营养化水体中可测量的内部氮源。

在全球尺度上，野外观测和实验证据

结论

本研究阐明了一个典型富营养化浅水城市湖泊中潜在固氮菌群落的季节动态和组装机制，以及它们对碳和氮变化的响应。主要结论如下：

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  固氮菌的季节动态：潜在固氮菌群落呈现季节性模式。全年九个月中，潜在异养固氮菌的相对丰度始终高于潜在固氮

环境意义

在利用再生水补给的城市湖泊中，长期氮富集可与持续的生物固氮共存。水温、溶解氧和C/N化学计量比的季节性变化可能为生物固氮创造有利条件，而异养固氮菌和藻类相关微生物相互作用可能在富营养化条件下促进内部微生物氮循环。随着再生水回用在许多城市的推广，兼顾

CRediT作者贡献声明

张海涵：指导、经费获取、概念设计。马奔：可视化、调查、形式分析。顾硕源：撰写——初稿、可视化、调查、形式分析。陈生南：指导、经费获取、概念设计。贾晓辉：可视化。陆晨曦：验证。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报道的工作。

致谢

本研究由陕西省自然科学基础研究计划（编号：2025JC-YBMS-598）、陕西省优秀青年科学基金项目（编号：2025JC-JCQN-019）和国家自然科学基金（编号：52500012和52570213）资助，并由中国博士后科学基金特别资助项目（编号：GZC20250855）支持。

顾硕源|陈生南|张海涵|马奔|贾晓辉|陆晨曦