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Water Res..2020 Jun;182:116040. S0043-1354(20)30577-7. doi: 10.1016/j.watres.2020.116040.Epub 2020-06-13.

頻繁な低湿交換下での微生物群集の形成と窒素変換活性を粒径が調節する。カラム実験

Grain size tunes microbial community assembly and nitrogen transformation activity under frequent hyporheic exchange: A column experiment.

  • Yi Li
  • Jinxin Zhu
  • Longfei Wang
  • Yu Gao
  • Wenlong Zhang
  • Huanjun Zhang
  • Lihua Niu
PMID: 32622134 DOI: 10.1016/j.watres.2020.116040.

抄録

地下水と表流水が混ざり合うハイパーハイドゾーン(HZ)は、生物地球化学反応のホットスポットである。河川のダム建設やその他の水文学的制御は、河川回廊の地球化学的・微生物的プロセスに連鎖的な影響を与えながら、下流域の土砂粒径分布を変化させ、低融点交換を変化させている。本研究では、地下水-地表水交換が頻繁に行われている条件下での、粒径の異なる堆積物で満たされたHZ内でのNの変化を調査した。その結果、気孔率がHZ堆積物の細菌群集を決定する主な要因であることが明らかになった。細いカラムでは、粗いカラムと混合カラムに比べて細菌群集の共起度が低かった。粗カラムでは、細カラムと比較して約2.47倍の交換流束が得られ、最も速いDO消費率(-6.52μg O/L-s)が得られた。硝化剤であるサイトファガ科、バキラセ科の硝化剤と硝化機能遺伝子であるamoA_OAAとamoA_AOBの濃縮度から、粗い堆積物で満たされたカラムの方が硝化能力が高いことが明らかになった。一方、細粒のカラムでは、2.4×10μgN/L-sと最も高いNH産生率を示した。また、脱窒剤であるコマモナス科やリソバクターが多く存在することや、nirKやnirSの機能性遺伝子が濃縮されていることから、嫌気性環境下での脱窒能力が高いことが示唆された。この結果は、サイズ分割されたHZから動的な減水交換において、微生物の機能ポテンシャルとそれに伴う窒素変換の変動が起こる可能性を示唆しており、調整された河川回廊における生物地球化学的・生態学的プロセスに新たな知見を追加した。

Hyporheic zones (HZ) are hotspots for biogeochemical reactions where groundwater and surface water mix. River dam buildings and other hydrologic controls alter the sediment grain size distribution and modify the downstream hyporheic exchange, with cascading effects on geochemical and microbial processes in river corridors. In this lab-scale column experiment, the N transformations in HZ filled with sediments in different grain sizes were investigated with a focus on understanding the interplay among variational hydraulic connectivity, microbial community structure, functional potential under frequent groundwater-surface water exchange. Porosity was identified as the main driver determining bacterial community assembly in HZ sediments. Significant microbial zonation was observed along the columns and the degree of co-occurrence of bacterial communities in the Fine column was lower than that in the Coarse and Mix columns. The Coarse column allowed for almost 2.47 times the exchange flux relative to the Fine column, and generates the fastest DO consumption rate (-6.52 μg O/L·s). The enrichment of nitrifiers, i.e., Cytophagaceae and Bacillaceae and nitrification functional genes, i.e., amoA_AOA and amoA_AOB revealed the higher nitrification potential in column filled with coarse sediments. In comparison, the highest NH production rates (2.4 × 10 μg N/L·s) took place in Fine column. The higher abundancies of denitrifiers such as Comamonadaceae and Lysobacter and enrichment of functional genes of nirK and nirS interestingly suggested the elevated denitrification potential in Fine column in a more anaerobic environment. The results implied that variations in microbial functional potential and associated nitrogen transformation may occur in size-fractioned HZ to dynamic hyporheic exchange, which added new knowledge to the underlying biogeochemical and ecological processes in regulated river corridors.

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