Understanding the potential impact of the Three Gorges Reservoir (TGR) on regional extreme precipitation and its mechanisms is critical for the safe operation of the reservoir and the efficient management of regional water resources. This study uses the regional climate model RegCM4 to conduct a double-nested simulation experiment (50 km to 10 km) from 1989 to 2012, evaluated against the CN5.1 observation dataset. Sensitivity experiments with three different lake area ratios (0%, 20% and 100%) were performed using the sub-grid partitioning method in the Community Land Model Version 4.5 to analyze the spatiotemporal distribution, intensity, and frequency of precipitation under varying TGR water areas. The results show that with a 20% lake area ratio, precipitation slightly decreases, but the impact on extreme precipitation indices is not statistically significant. However, with a 100% lake area ratio, significant decreases in both total and extreme precipitation indices occur. The reduction is primarily driven by the formation of anomalous mountain-valley circulation between the TGR and surrounding mountains, which leads to atmospheric subsidence and reduced convective activity. These findings indicate that while the TGR has a negligible impact on extreme precipitation under its current configuration, the exaggerated sensitivity experiments reveal potential mechanisms and localized effects. This research enhances the understanding of the TGR's influence on regional extreme precipitation and provides valuable insights for water resource management and reservoir operation.

作为土壤和废水中常见的两种氮素形态,铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）分别占据自然界中最低价态氮和最高价态氮的位置。微生物可通过氮循环途径将这两种不同价态的氮素进行转化,但由于自然界中的微生物群落复杂多样,导致其参与的氮循环过程错综复杂,目前仍有新的氮循环途径被持续报道。此外,微生物转化氮素过程受到众多环境因素（如常见因素（温度、盐度和氮素浓度等）以及近几年才开始关注的金属离子和金属氧化物纳米颗粒等）的影响,不同微生物对不同环境因素的响应机制不同。课题组前期从贵州省长期淹水田中分离纯化得到一株好氧耐冷菌株Pseudomonas putida Y-9,并通过研究发现菌株Y-9好氧氨氧化过程无中间产物羟胺（NH2OH）积累、好氧还原NO3-过程伴随有NH4+的生成,这与微生物好氧氨氧化过程一定经过NH2OH、微生物只在厌氧条件下进行异化硝态氮还原成铵（DNRA）的已有研究结果不一致,暗示菌株Y-9体内可能存在新的氮循环途径。本研究在菌株P.putida Y-9的已有研究结果基础上,通过室内试验,分析菌株Y-9对NH4+、NH2OH和NO3-的转化特性,结合分子生物学手段（相关酶活分析、基因扩增、全基因组扫描等）以及15N同位素示踪技术探讨菌株Y-9在好氧条件下对NH4+和NO3-的具体转化途径,并进一步探索金属氧化物纳米颗粒在菌株Y-9生长必需金属元素(Mg2+)存在情况下对菌株氧化NH4+过程的影响机制;同时深入研究菌株体内的nirBD基因在菌株氮循环过程中的具体作用;最后探讨如何调节外界条件实现菌株Y-9对NO3-的大量去除和系统氮素的最小损失。主要结果如下:（1）P.putida Y-9体内存在一条新的好氧氨氧化途径。菌株Y-9可在好氧条件下快速氧化NH4+（氧化率高达100%）,但该过程检测不到NH2OH、NO2-和NO3-。造成这种现象的原因可能有两种:一种是菌株体内NiR、NR以及HAO的活性显著高于AMO,导致生成的NH2OH和NO2-被迅速转化;另一种是菌株体内存在新的NH4+氧化途径。酶活试验发现菌株体内以NH2OH生成量定义的AMO未被检测到,但以NH4+降低量定义的AMO-a的活性显著大于HAO、NR及NiR,与已有好氧NH4+氧化途径不一致,初步证明菌株Y-9氧化NH4+过程并未经过NH2OH。通过分析NH4+、NH2OH单独以及共存条件下菌株Y-9对氮素的转化特性,发现菌株氧化NH2OH过程无气态氮生成,而氧化NH4+过程中可检测到NO和N2O,该现象进一步证明菌株Y-9氧化NH4+过程不经过NH2OH。硝化抑制剂烯丙基硫脲（ATU,一种被广泛应用于抑制AMO表达的抑制剂）对菌株氧化NH4+无抑制作用,且PCR扩增结果发现菌株Y-9体内不存在编码AMO的amoA基因,上述结果证明菌株Y-9体内不存在传统意义的AMO。综上所述,Y-9体内存在一条不经过羟胺形成NO和N2O的氨氧化新途径,而NH4+氧化成NO过程是否存在其他中间产物需进一步研究。（2）金属氧化物纳米颗粒的存在会影响P.putida Y-9吸收Mg2+,进而影响菌株Y-9的氨氧化过程。高浓度的四种金属氧化物纳米颗粒（＞1 mg/L）均会抑制菌株Y-9的氨氧化过程,抑制强度顺序为NiO NPs＞CuO NPs＞ZnO NPs＞TiO2 NPs,而低浓度的CuO NPs（0.1、0.5 mg/L）和NiO NPs（0.1 mg/L）则可促进菌株Y-9生长及其对NH4+的氧化效果,NH4+氧化率可达87%以上。金属氧化物纳米颗粒会在水中释放出金属离子,且不同浓度纳米颗粒释放出的金属离子浓度不同。进一步研究发现,系统中Mg2+的下降量与菌株Y-9生长及其对NH4+的氧化效果呈显著正相关性,但与TiO2 NPs、ZnO NPs和CuO NPs在溶液中释放出的Ti4+、Zn2+和Cu2+含量呈负相关性。通过综合比较四种金属氧化物纳米颗粒及相应金属离子对菌株Y-9氧化NH4+过程的影响,发现金属氧化物纳米颗粒通过影响菌株Y-9对必需金属离子Mg2+的吸收从而影响菌株对NH4+的氧化效果,且不同金属氧化物纳米材料对菌株Y-9吸收Mg2+的影响机制不同,NiO NPs通过其自身作用,TiO2 NPs通过在水体溶解出的Ti4+,而CuO NPs和ZnO NPs则通过其自身作用及其在水体溶解出的Cu2+和Zn2+。（3）P.putida Y-9可在好氧条件下同时进行同化NO3-还原、DNRA和反硝化作用。菌株Y-9可在好氧条件下高效去除水体NO3-（去除率为82.00%）并伴随有少量NH4+的积累,且系统TN去除率仅为21.08%,推测菌株可同时进行同化和异化NO3-还原作用。NH4+的存在会显著抑制菌株对NO3-的转化（NO3-去除率降至22.65%）,证明菌株Y-9具有较高的NO3-同化还原能力。但当系统NH4+充足时（92.75 mg/L）NO3-仍有所下降（下降量为11.68 mg/L）,说明菌株Y-9可进行微弱的异化NO3-还原作用。菌株Y-9还原NO3-和NO2-过程中上清液检测到的NH4+由菌株胞内释放,且其体内编码亚硝态氮还原酶的nirBD基因会影响菌株生长和NH4+的生成,推测上清液中的NH4+可能由菌株同化NO3-再矿化过程或DNRA过程产生。15N同位素试验结果表明菌株Y-9体内存在由nirBD基因催化的DNRA过程,具体途径为NO3-→NO2-→NH4+,进一步表明系统TN下降是菌株进行反硝化作用的结果。综上所述,好氧条件下菌株Y-9体内同时存在3条硝态氮还原途径,其中nirBD可同时催化NO3-同化和DNRA过程中的NO2-还原为NH4+。（4）P.putida Y-9体内的nirBD基因不仅可促进菌株的NO3-同化和DNRA进程,还会影响菌株的好氧氨氧化过程。菌株Y-9体内的亲水性稳定蛋白nirBD无跨膜结构,且具有与亚硝酸盐还原酶催化NO2-还原为NH4+紧密相关的亚硝酸和亚硫酸盐还原酶铁硫/硅血红素结合位点。培养2 d后△nirBD菌株Y-9对NH4+的去除效率（90.70%）显著高于野生菌株Y-9（76.09%）,但△nirBD菌株Y-9培养系统TN下降量（15.73 mg/L）小于野生菌株Y-9培养系统TN下降量（17.74 mg/L）,结合菌株对NH4+的氧化途径证明敲除nirBD基因序列可促进菌株Y-9对NH4+的同化过程。nirBD基因通过促进菌株Y-9对NO3-的同化和DNRA过程去除系统中大量的NO3-和NO2-,敲除nirBD基因序列后导致由NO3-转化成的NO2-无法进一步还原为NH4+,造成系统NO2-大量积累,抑制菌株生长和反硝化过程。NO3-的存在对野生菌株和△nirBD菌株转化NH4+的影响均较小,培养结束后系统NH4+去除率仍高达90%以上。NO2-的存在会显著降低野生菌株Y-9对NH4+的去除效果（去除率仅为44.77%）,但不会抑制△nirBD菌株Y-9对NH4+的利用效率（培养结束后系统NH4+去除率仍高达97.49%）,这可能是由于敲除nirBD基因序列对菌株同化NH4+的促进作用抵消了NO2-对菌株的毒性作用。（5）调节外界条件可实现菌株Y-9对硝态氮的大量去除和系统氮素的最小损失。葡萄糖可刺激菌株Y-9体内nirBD基因的表达,促进菌株进行DNRA和同化NO3-作用,大量去除系统中NO3-（去除率为89.79%）,且系统氮素的损失量较少（22.77 mg/L）。好氧条件下不同C/N培养基中菌株Y-9体内nirBD基因均可有效表达,其中C/N为9时nirBD基因表达量最大,菌株可高效进行DNRA和同化NO3-作用,从而大量去除NO3-（81.78%）,且菌株体内的反硝化过程（TN下降量为14.06 mg/L）显著弱于C/N为12和15条件下菌株的反硝化过程（TN下降量分别为35.41和22.77 mg/L）。中性和弱碱性条件（pH 7-9）对菌株Y-9同化NO3-、DNRA和反硝化过程均有促进作用,其中以初始pH为7的培养液培养4 d后菌株Y-9体内nirBD基因表达量最大,菌株对NO3-的去除率与初始pH为8和9的培养液中菌株对NO3-的去除率一致,均约为80%;但系统TN的下降量（14.06 mg/L）显著低于初始pH为8和9培养液中系统TN的下降量（30.64和35.01 mg/L）。随转速的增大,菌株Y-9体内nirBD基因的表达量逐渐增大,菌株对NO3-的还原能力逐渐增强,但系统TN的下降量则呈现先上升后下降的趋势（50 rpm条件下TN下降量最大,为34.58 mg/L）。综合分析上述研究结果可知,以葡萄糖为碳源,控制C/N为9,pH为7,转速为150 rpm时菌株Y-9同化NO3-和DNRA进程较强,反硝化进程较弱,可大量去除NO3-且系统氮素损失量最小。综上所述,P.putida Y-9体内存在两条新的氮素转化途径,可在好氧条件下大量去除NH4+和NO3-,且几乎无有害中间产物NO2-的积累,说明菌株Y-9在氮素污染废水治理中具有广泛的应用前景。此外,外界条件对菌株体内NO3-同化、DNRA和反硝化过程影响的研究结果可为土壤NO3-去除和氮素保持方面的技术研究提供理论支撑。

Extreme natural events such as typhoons can amplify the effect of hydrodynamics on the lake ecosystems. Here we presented data on the effect of typhoons on algal cell size based on field observation. Then turbulence simulation systems were used to decipher the response of natural phytoplankton communities to a range of turbulence regimes (linked to typhoon-induced turbulence intensity) under laboratory conditions. Turbulence intensities of 6.17 × 10−3, 1.10 × 10−2 and 1.80 × 10−2 m2/s3 benefited algal growth and triggered abrupt switches from unicellular Chlorella dominated to colonial Microcystis dominance, and the abundance of colonial algae depended on the turbulence intensity. Under the influence of elevated turbulence, Microcystis dominated biomass increased by 2.60–6.58 times compared with that of Chlorella. At a given phytoplankton density and community composition, we observed a significant increase in extracellular microcystins (MCs) and a 47.5-fold increase in intracellular MCs with intensified turbulent mixing, suggesting that the damage of algal cells concomitantly the stimulation of toxin-producing Microcystis. Our results confirmed that the formation of large colonial algal cells, enhancement of the succession of algal species, and most importantly, the induction of toxin-producing Microcystis, were the active adaption strategy when phytoplankton were impacted by strong turbulence. The result implies that the ongoing climates changes and typhoon events are likely to contribute to undesirable outcomes concerning phytoplankton populations. © 2019 Elsevier B.V.

在好氧条件下,异养硝化和好氧反硝化细菌能将水体中的含氮化合物转化为气态氮,从而达到脱氮目的,因其具有脱氮效率高、节能环保等特点,受到了国内外研究者们的密切关注,并作为生物脱氮系统中的潜在微生物进行了深入研究。但这类细菌在异养脱氮性能、脱氮途径和细菌种类等方面具有不同的特点,有必要从不同环境介质中分离出新的异养硝化和好氧反硝化细菌以丰富生物脱氮菌的种类及生物脱氮理论。本研究通过富集、分离、纯化的方法获得了一株新型耐冷生物脱氮菌,对其进行了形态学、分子生物学鉴定;并分别以氨氮、硝态氮和亚硝态氮为唯一氮源,研究了该菌对不同氮源的去除效果以及产生反硝化产物N2O的情况;在此基础上,以氨氮和硝态氮或亚硝态氮为混合氮源,研究了该菌对混合氮源的去除效果,探究其同时硝化反硝化作用;最后,通过向含不同氮源的培养基中加入不同浓度的Fe3+与Cu2+,进一步探究了Fe3+与Cu2+对该菌脱氮作用的影响。通过研究,得出了以下主要结果:（1）在15℃条件下,通过富集、分离、纯化的方法从长期淹水的冬水田泥土中获得一株具有好氧反硝化能力的菌株D51,通过形态学观察、磷脂脂肪酸（PLFAs）鉴定和16S rRNA基因序列分析,菌株D51被鉴定为烟草节杆菌（Arthrobacter nicotianae）,经革兰氏染色法确认其属革兰氏阳性细菌。本文首次报道了Arthrobacter nicotianae具有异养硝化和好氧反硝化功能,丰富了生物脱氮菌的种类。（2）菌株D51能分别以氨氮、硝态氮和亚硝态氮为单一氮源进行生长繁殖及脱氮。当以氨氮（51.59mg/L）为唯一氮源时,15℃,150r/min培养48h后,氨氮和总氮去除率分别为95.21%和86.48%,生物量氮积累25.21mg/L（占氨氮含量的48.87%）,未检测到中间产物硝态氮和/或亚硝态氮;当以硝态氮（53.78mg/L）为唯一氮源时,硝态氮和总氮去除率分别为74.04%和72.92%,生物量氮积累16.52mg/L（占硝态氮含量的30.72%）;当以亚硝态氮（58.39mg/L）为唯一氮源时,亚硝态氮和总氮去除率分别为70.11%和56.37%,生物量氮积累18.45 mg/L（占亚硝态氮含量的31.60%）。（3）在温室气体产物检测实验中,当分别以氨氮、硝态氮和亚硝态氮为单一氮源时,15℃,150r/min培养48h后,检测到N2O的净生产量分别为0.0271、0.0144和0.2163mg/L。菌株D51能够将铵态氮、硝态氮和亚硝态氮转化为N2O,进一步表明菌株D51具有异养硝化和好氧反硝化作用。N2O是一种温室气体,但在本过程中产生量很少,对环境危害程度较小。（4）15℃条件下,当以氨氮（28.21mg/L）和硝态氮（29.30mg/L）为混合氮源时,氨氮、硝态氮和总氮的去除率分别为98.62%,58.53%和68.60%,有中间产物亚硝酸盐氮积累;当以氨氮（29.40mg/L）和亚硝态氮（28.46mg/L）为混合氮源时,氨氮、亚硝态氮和总氮的去除率分别为95.88%,65.95%和73.87%。菌株D51能够同时利用铵态氮和硝态氮或亚硝态氮,具有同时硝化反硝化功能。硝态氮与亚硝态氮的加入不会影响铵态氮的去除效果,但铵态氮的加入会使硝态氮与亚硝态氮的去除受到抑制。（5）Fe3+对菌株D51的生长及硝化作用影响较小,但对反硝化作用的影响较大。当Fe3+浓度为15mg/L时,硝态氮（52.42mg/L）去除率达100%,平均去除速率为2.18 mg/L/h,与未加Fe3+时相比,硝态氮去除率提升了近30%;当加入10mg/L Fe3+时,亚硝态氮（61.17mg/L）去除率达97.45%,平均去除速率为1.24mg/L/h,与未加入Fe3+时相比,亚硝态氮的去除率提升了近36%。（6）Cu2+会抑制菌株D51的生长及硝化作用,但对反硝化作用的影响与浓度有关。当培养基中加入Cu2+时,菌株D51的生长及硝化作用就会受到抑制;当分别以硝态氮和亚硝态氮为唯一氮源时,加入0.05mg/L Cu2+,15℃,150r/min培养48h后,硝态氮（56.38mg/L）的平均去除速率为0.96mg/L/h,去除率比未加入Cu2+时提升了8%左右;亚硝态氮（55.36mg/L）平均去除速率为0.80mg/L/h,去除率比未加Cu2+时提升了14%左右;但当Cu2+浓度高于一定范围（≥0.1mg/L）时,菌株D51的反硝化作用就会受到抑制。综上所述,菌株D51能在有氧条件下发挥硝化作用、反硝化作用和同时硝化反硝化作用。当以铵态氮和硝态氮或亚硝态氮为混合氮源时,该菌仍能够快速高效的去除水体中铵态氮;当废水中存在Fe3+与Cu2+时,菌株D51仍能去除铵态氮、硝态氮和亚硝态氮。因此,该菌可作为秋冬季节含Fe3+与Cu2+的氮污染废水脱氮的候选菌株,对保护我国环境水体及水资源的再生利用具有重要意义。

在氮污染废水处理技术中,微生物修复具有绿色环保、高效经济等优点,尤其是发现好氧反硝化细菌以后,微生物脱氮技术得到了快速发展,采用好氧反硝化微生物进行生物脱氮处理废水具有许多新的优势,如:（1）生长繁殖快、代时短、培养成本低;（2）有的好氧反硝化细菌能进行同时硝化与反硝化作用,因此,无需额外添加酸碱调节剂;（3）能同时去除多种无机氮等。然而,微生物脱氮过程复杂,不同微生物的脱氮途径有很大差异,目前,对于耐冷微生物的脱氮途径研究缺乏;其次,微生物脱氮会受到许多环境因素的影响,金属离子普遍存在于废水中,不同金属离子对生物脱氮过程的影响系统性研究较少,尤其是对耐冷微生物的影响研究更为缺乏。本文建立在已分离筛选获得的耐冷好氧反硝化菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10的基础上,分别研究了耐冷菌株Y-10的脱氮特点及途径,在不同金属离子冲击下的脱氮效率及金属离子对其脱氮影响的机理,主要结果如下:1.在15℃条件下,采用模拟废水研究了菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10的脱氮特点。结果表明,铵态氮是最有利于菌株Y-10进行生物脱氮的无机氮。在异养硝化过程中,铵态氮的去除效率可达100%。在同时硝化与反硝化过程中,铵态氮能促进硝态氮的还原。在好氧反硝化过程中,以硝态氮为唯一氮源时,硝态氮的去除效率仅为73.3%。加入等量的铵态氮后会显著提高硝态氮的去除效率,如在铵态氮和硝态氮各5 mg/L的混合氮源中,硝态氮的去除效率可显著增加至85.3%;当铵态氮和硝态氮分别增加至100 mg/L的混合氮源时,硝态氮的去除效率可高达100%。在低浓度的铵态氮和硝态氮混合氮源中只积累了0.02 mg/L的亚硝态氮;在高浓度的铵态氮和硝态氮混合氮源中会产生大量的亚硝态氮积累,最高可达122.23 mg/L。当以初始浓度为10.31 mg/L的亚硝态氮为唯一氮源时,亚硝态氮的去除效率可达100%,在该过程中既不会有铵态氮的产生,也不会有硝态氮的积累。综上所述,菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10在15℃条件下能单一地去除铵态氮、硝态氮和亚硝态氮,也能进行同时硝化和反硝化作用去除铵态氮与硝态氮、铵态氮与亚硝态氮混合氮源。2.通过对耐冷菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10脱氮中间产物、脱氮酶活性、胞外及胞内亚硝态氮积累等分析,推测该菌的生物脱氮过程。结果表明,以铵态氮为氮源进行异养硝化时,胞外能检测到羟氨的产生,但无亚硝态氮积累,以羟氨为氮源时,胞外产生了0.65 mg/L亚硝态氮的积累。在好氧反硝化过程中,以初始浓度为101.04 mg/L的硝态氮为唯一氮源时,胞外积累了43.66 mg/L亚硝态氮。当以100.03 mg/L的亚硝态氮为氮源时,胞外可检测到2.15 mg/L的铵态氮积累。对氮转化过程中酶活测定发现,氨单加氧酶（AMO）、羟氨氧化还原酶（HAO）和硝酸盐还原酶（NR）的比活分别为0.42、0.0014和0.0049 U/mg蛋白质。此外,亚硝酸盐还原酶能被二乙基二硫代氨基甲酸盐（DDC）完全抑制。在氮转化实验过程中,无论是以有机氮（Luria-Bertani medium LB）为氮源还是以铵态氮、硝态氮或亚硝态氮为单一氮源,均能在胞内检测出大量亚硝态氮积累,积累的亚硝态氮浓度分别为43.0、42.26、39.94和35.01 mg/L,对应的蛋白质浓度分别为532.30、537.15、741.54和718.54 mg/L,因此,胞内亚硝态氮占细胞蛋白质浓度的百分比分别为8.08、7.37、5.38和4.87,这表明以LB为氮源时,胞内亚硝态氮的积累量最大,以铵态氮、硝态氮和亚硝态氮为单一氮源的胞内亚硝态氮积累量呈依次递减趋势。迄今为止,还没有明确的生物化学机制能解释高浓度亚硝态氮积累在胞内的现象。对于菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10进行异养硝化和好氧反硝化过程中温室气体CO2和N2O释放量的研究结果表明,分别以铵态氮、硝态氮和亚硝态氮为氮源时,产生CO2的量分别为79.68、74.78和67.18 mg/L,产生的N2O浓度分别为0.06、0.08和0.84 mg/L。由此可看出,产生的N2O浓度显著低于CO2浓度,表明菌株Y-10在生物脱氮过程中产生的氮氧化物对温室气体贡献小,在实际应用过程中比较安全。结合脱氮中间产物、硝化与反硝化抑制剂对生物脱氮过程的影响作用、总氮的去除量及N2O的产生,推测菌株Y-10进行异养硝化脱氮的途径为:铵态氮→羟氨→亚硝态氮→气态氮,好氧反硝化途径为:硝态氮→亚硝态氮→气态氮。且明确N2O不是菌株Y-10进行生物脱氮的主要产物。3.研究了碱土金属[Ca（Ⅱ）、Mg（Ⅱ）]和重金属[Zn（Ⅱ）、Ni（Ⅱ）]离子对菌株Arthrobacter arilaitensis Y-10生物脱氮能力的影响。实验结果表明,菌株Y-10能耐受20 mg/L的Ca（Ⅱ）,在该条件下对铵态氮的去除效率可达100%。以亚硝态氮为唯一氮源时,添加0.5 mg/L的Ca（Ⅱ）能显著提高总氮的去除效率。添加Mg（Ⅱ）能显著提高微生物的生长速率和脱氮效率。当Mg（Ⅱ）浓度由0增加至2 mg/L时,铵态氮、硝态氮和亚硝态氮的去除效率分别增加了40.62%、69.91%和64.68%。然而,菌株Y-10的脱氮能力会受到重金属Zn（Ⅱ）和Ni（Ⅱ）的显著抑制作用。尽管如此,当Zn（Ⅱ）浓度高达30 mg/L时,氮的去除依然能持续进行。但添加8 mg/L的Ni（Ⅱ）时,铵态氮和总氮的去除几乎停止。添加1 mg/L的Ni（Ⅱ）时,菌株Y-10反硝化脱氮能力完全消失。总体表明,碱金属Ca（Ⅱ）和Mg（Ⅱ）,尤其是Mg（Ⅱ）,比重金属Zn（Ⅱ）和Ni（Ⅱ）更有利于提高菌株Y-10的脱氮效率。4.采用非竞争性抑制模型评估铜离子对菌株Y-10去除铵态氮、硝态氮和亚硝态氮的影响。结果表明,铜离子对菌株Y-10去除铵态氮、硝态氮与亚硝态氮的影响趋势基本一致。添加0.25 mg/L的铜离子均能显著提高菌株Y-10去除铵态氮、硝态氮和亚硝态氮的能力。通过改进的非竞争性抑制模型拟合表明,铜离子影响菌株Y-10去除硝态氮和亚硝态氮的半抑制浓度分别为0.195和0.090 mg/L。更为特别的是,添加微量的镁离子可显著提高菌株Y-10的生长速率、氮的去除效率以及对铜离子的耐受性。5.研究了重金属Cd（Ⅱ）、Co（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）离子对菌株Y-10异养硝化与好氧反硝化过程的影响。在不同重金属离子的冲击下,同时考虑菌株Y-10的脱氮效率和不同重金属离子影响菌株Y-10生物脱氮的半抑制浓度发现,金属离子对菌株Y-10的生长与脱氮能力的抑制强度顺序为Co（Ⅱ）＞Cd（Ⅱ）＞Mn（Ⅱ）。分别来说,当添加的Cd（Ⅱ）浓度低于2.5 mg/L时,对铵态氮的去除效率没有影响,其去除效率可达100%。当分别添加0.1和0.25 mg/L的Cd（Ⅱ）时,可提高硝态氮和亚硝态氮的去除效率,但高于0.25和0.5 mg/L的Cd（Ⅱ）会分别降低硝态氮和亚硝态氮的去除效率。与之不同的是,添加Co（Ⅱ）会强烈抑制菌株Y-10的生物脱氮过程,尤其是对反硝化过程的影响更为强烈。在反硝化系统中只要添加Co（Ⅱ）,菌株Y-10的生长与生物脱氮过程则立即停止。对添加Mn（Ⅱ）而言,即使Mn（Ⅱ）浓度达到30 mg/L,对菌株Y-10去除铵态氮均无显著影响。添加0.5 mg/L的Mn（Ⅱ）还能显著提高硝态氮和亚硝态氮的去除效率。但继续增加Mn（Ⅱ）离子浓度会显著降低硝态氮和亚硝态氮的去除效率。所有结果表明,与异养硝化去除铵态氮相比,好氧反硝化过程对重金属Cd（Ⅱ）、Co（Ⅱ）和Mn（Ⅱ）的抑制作用更为敏感。6.利用转录组差异基因表达分析,研究锰离子对生物脱氮过程的影响机理。结果表明,无论是以铵态氮还是硝态氮为氮源,与对照组相比,添加锰离子后的处理组与氮代谢相关的基因均发生了明显差异性表达。以铵态氮为氮源时,差异表达基因被注释到GO数据库中与氮代谢相关的有6个基因sdaA、sugE、glnA、NirS、nirK和nirB分别上调了0.77、0.48、0.35、5.17、0.90和0.88倍,与氮代谢相关的另10个基因hutH、aspA、ilvA、amt、nadE、narG、narH、narJ、narI和nirD分别下调了1.77、1.24、1.06、1.02、0.52、2.01、1.80、1.41、1.36、1.33、1.00倍。但这些上调和下调的基因与铵态氮代谢没有直接的关联。在KEGG代谢通路中,仅被注释到的与硝化相关的基因NxrAB表现出了下调作用,余下与硝化过程相关的基因没有受到显著影响。在反硝化过程中,以硝态氮为氮源时,添加锰离子后,菌株Y-10有众多基因表达水平发生了变化,与氮代谢相关的上调基因种类和基因数量均高于下调的基因种类和数量。差异表达基因被注释到GO数据库中与氮代谢相关的10个基因amt、glnA、hutH、nadE、sdaA、sugE、nirB、nirD、nirS和NarK分别上调了3.07、1.82、1.73、1.72、0.67、0.38、3.25、1.84、0.86和0.83倍,与氮代谢相关的另7个基因aspA、glnA、ilvA、narI、narG、narH和narJ分别下调了1.98、0.73、0.68、0.79、0.67、0.41、0.34倍。在KEGG代谢通路中,与铵态氮氧化相关的所有基因包括AmoCAB、Hao和NxrAB均未受到影响,与硝态氮代谢相关的NasB、NirBD、NRT、narK、nrtP和nasA表现出了上调的作用,由于硝态氮转化的过程中会积累大量的亚硝态氮,而在研究亚硝态氮转化效率的实验中,发现亚硝态氮是可以被菌株Y-10继续还原的成气态氮的,在本实验中,亚硝酸盐还原酶基因nirB同样表现出了上调的作用。此外,谷氨酸合酶基因gltB和gltD也表现出了上调作用。综上所述,锰离子对菌株Y-10进行生物脱氮过程的影响主要是通过影响硝化与反硝化过程中基因的转录量来实现的,在反硝化过程中受影响的基因种类和数量比硝化过程中要多,这从基因水平上阐明了菌株Y-10的反硝化过程比硝化过程对金属锰离子的促进或抑制影响更为敏感。

In this study, an eco-friendly Fe2(MoO4)3 was synthesized via template assistant methods for peroxymonosulfate activation to remove RodanminhB (RhB). X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and UV–vis results illustrated the high valence Mo(VI) was the active center to initiate the nonradical-dominated pathway. Electron paramagnetic resonance (EPR) with chemical quenching experiments confirmed the leading role of 1O2 in RhB degradation, which originated from the Mo(IV)/Mo(VI) redox cycle and Mo(VI) peroxo-complex MoO(O2)22–. Also, the improved Fe(II)/Fe(III) cycle produced radicals, like SO4•−and •OH, to assist the degradation process, and promoted Mo(VI) regeneration alongside. 10 mg/L RhB can be completely removed after adding 0.2 g/L Fe2(MoO4)3–4 and 0.1 g/L PMS within 30 min. The effects of PMS and catalyst dosages, initial pH, inorganic anions, and humic acid on RhB degradation were studied and analyzed. Due to the anti-interference of 1O2, Fe2(MoO4)3–4 could sustain its high reactivity from pH 3 to 11. It also contained its original crystal structure with a high degradation rate after five cycle runs. Multiple kinds of dyes and antibiotics were eliminated efficiently within 30 min. The intermediates involved in the reaction were examed by liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) to propose the degradation pathway of RhB. This work shed light on the overlooked key role of high valence Mo(VI) during PMS activation, instead of traditional low valence Fe(II) or Mo(IV). © 2023 Elsevier B.V.

Conventional perovskite oxides (ABO(3)) tend to suffer from their inactive surfaces and limited active sites that reduce their catalytic activity and stability, while interface engineering is a facile modulating technique to boost the catalyst's inherent activity by constructing heterogeneous interfaces. In this study, perovskite/spinel LaCoO3/Co3O4 nanocomposites with heterogeneous interfaces were synthesized via sol-gel and in-situ gradient etching methods to activate peroxymonosulfate (PMS) for degrading levofloxacin (LEV). LaCoO3 on the surface was etched into spinel Co3O4, and LaCoO3/Co3O4 nanocomposites with two crystal structures of perovskite and spinel were successfully formed. The surface-modified LaCoO3/Co3O4 exhibited superior catalytic performance with a reaction rate constant more than 2 times that of the original LaCoO3, as well as excellent pH adaptability (3-11) and reusability (more than 6 recyclings) for LEV degradation. Besides, multiple characterization tech-niques were carried out to find that LaCoO3/Co3O4 possessed a larger specific surface area and richer oxygen vacancies after surface modification, which provided more active sites and accelerated mass transfer rate. The mechanism of reactive oxygen species involved in the reaction system was proposed that LaCoO3/Co3O4 not only reacted with PMS directly to produce SO4 center dot- and (OH)-O-center dot but also its surface hydroxyl group helped to form the [equivalent to Co (III)OOSO3](+) reactive complex with PMS to produce O-2(center dot-) and O-1(2). In addition, electrochemical experiments demonstrated that the surface electronic structure of LaCoO3/Co3O4 was effectively regulated, exhibiting a faster electron transfer rate and facilitating the redox process. By detecting and identifying degradation intermediates, three degradation pathways for LEV were proposed. Our work provided profound insights into the design of efficient and long-lasting catalysts for advanced oxidation processes.

大型库区调控下流域水循环演变规律与伴生过程的驱动机制,是库区流域水安全保障的理论基础;三峡库区流域位于我国西南地区,地处长江中下游区域,地形地貌特殊;目前三峡水库发挥着巨大的防洪、发电、航运、供水等效益。运行16年来,其水循环时空演变规律,库区气候效应,水-土-生态环境系统间的相互作用关系是研究的热点,但是其机理较为复杂,且对库区水安全管理意义重大。本论文围绕三峡库区流域,首先,认识其建库前后水循环演变规律,库区暴雨时空演变规律;其次,在规律认识的基础上,基于“样地尺度-小流域尺度”的野外原型观测试验及暴雨条件（100mm/h、80mm/h、60mm/h、40mm/h）下的不同坡面（20°、15°、10°、5°）下的人工降雨实验,揭示坡面及小流域尺度的降雨-径流、径流-泥沙、不同径流组分与氮磷营养盐流失间的关系,从而阐释水循环变化如何驱动库区典型地貌单元氮磷营养盐的流失特征;同时,构建库区小流域分布式水循环模型,建立参数化方案集;最后采用气候模式资料驱动模型,识别未来小流域水循环及氮磷污染负荷的趋势。主要结论如下:（1）三峡库区流域建库前后,降水年际间无明显变化趋势,蓄水期（9-10月）,建库后较建库前明显增多;气温年际间呈增加趋势,蓄水期气温降低明显,泄水期气温升高明显;蒸发与气温的演变趋势一致;地表径流年际间呈降低趋势,蓄水期变化趋势与降水一致;库区表层土壤水分,年际间呈减少趋势,月尺度上,1-2月,8-12月呈增加趋势。库区中游干流万县站点的降水-径流关系无明显变异特征,蒸发-流量变异点出现在1982年,降水-蒸发变异点出现在1990-1992区间;支流站点巫溪站降水-蒸发,降水-径流,蒸发-径流无明显变异特征。（2）2008-2018年三峡库区逐小时降水时空分布规律表明:库区超过20mm/h雨强事件主要发生在5-9月,且频次呈逐年上升趋势;2015年以后库区流域出现暴雨的范围增多较为明显;出现的最大小时降水为76.83mm（垫江县境内,2017年8月3日）,最大小时降水量也呈增加趋势;通过计算2008-2018年5-9月四个高度层（300hPa、600hPa、700hPa、850hPa）水汽通量及散度表明:三峡库区流域水汽主要集中在850hPa高度,7月水汽输送最大,水汽主要靠西南风输入,各高度水汽通量散度计算结果显示,三峡库区流域2008-2018年5-9月基本为辐散区。（3）样地尺度观测结果表明:壤中流对总径流的贡献最大,其中10°样地＞5°样地＞15°样地;三个样地地表产流量均与PO4+-P浓度呈显著正相关,且坡度等于10°样地,地表产流量与TP、TN浓度呈显著正相关,坡度等于5°样地,其与NH4+-N浓度、NO2-N浓度、TP浓度呈显著正相关,壤中流产流量与对应氮磷营养盐浓度相关性不显著。石盘溪小流域观测结果显示:流域出口降雨径流关系为y=53.847x+93.344（R2=0.283,P＜0.01）;流域出口产流量与氮磷流失浓度相关性不显著。（4）短历时强降水坡面产流与氮磷营养盐流失实验结果表明:暴雨强度、坡度、径流与泥沙是影响紫色土坡面氮磷流失的主要因子,雨强大于80mm/h,地表平均产流量随坡度增加而增大,雨强小于40mm/h,坡度小于5°,地表产流为0;壤中流产流量随雨强增大而增加。地表径流与TN浓度呈二次多项式关系（P＜0.05）,雨强小于60mm/h的拟合效果优于雨强大于80mm/h的样地;地表径流与TP浓度线性相关,但不显著。坡度大于20°样地,壤中流与TN呈二次多项式关系,其余样地呈线性关系;各样地壤中流与TP均呈二次多项式关系。对于地表径流中NH4+-N与PO4-P浓度的变化,一般情况,其随着地表产流的进行浓度逐渐降低或者趋于稳定,但是由于暴雨作用加上坡面粗糙程度及紫色土的易侵蚀性及溅蚀性,在较大坡度上,降水溅蚀及重力作用使某些残留物质随径流进入水体,会出现某些时段浓度的突然升高;地表产流中NO2-N、NO3--N浓度,基本是同增同减的变化趋势,雨强越大,其浓度随地表径流的波动越大,反之则其波动较为稳定。对于壤中流中NH4+-N与PO4--P浓度,雨强大于100mm/h,坡度越大（大于15°）,它们浓度变化趋势一致,整体上随着产流的进行浓度逐渐减小并趋于稳定,但是雨强小于60mm/h,其随产流的波动较大;壤中流中NO3--N浓度,各雨强条件下,均呈“V”型分布。（5）构建了綦江流域分布式水循环模型,对径流及氮磷污染负荷进行了模拟,模型模拟效果较好,得到了綦江流域分布式参数方案集;綦江流域2014年（丰水年）TN、TP输出分别为4570.32吨和814.44吨,2010年（平水年）TN、TP输出分别为2329.83吨和442.21吨,2012年（丰水年）TN、TP输出分别为690.11吨和50.30吨;在CMIP6气候模式4种情景数据的驱动下,预测了綦江流域未来径流与氮磷负荷的趋势:SSP126、SSP245、SSP370、SSP585四种情景下多年平均径流量较历史期分别增加了 72.1%,80.4%,20.77%及85.5%;SSP126和SSP370情景下,总氮与总磷负荷随时间呈降低趋势,而SSP245与SSP585情景下,呈增加趋势,预估结果为綦江小流域科学制定污染防控措施提供理论指导。

近年来,随着我国经济腾飞,城镇化率快速增长,山地城市面源污染问题日渐突出。城市中交通发达,道路众多,是城市地表主要的组成部分之一,并且由于车流量大,在降雨时,道路径流中裹携的污染物也较多,对城市面源污染贡献巨大。城市中道路的主要材质有水泥及沥青两种,新城区主要以沥青道路为主,老城区主要以水泥道路为主,但已有的相关研究对两种材质道路径流中污染物迁移转化的特征的分析仍比较浅显,对径流中各污染物迁移转化的机理解释也有所欠缺,需进行更为深入的研究。本文选取了重庆市沙坪坝区不同坡度的沥青、水泥道路（共6段）,利用所构建的模拟降雨装置实地开展人工降雨试验,并对产生的道路径流水质进行采样分析,得到不同降雨情况下,不同坡度情况下的沥青、水泥道路径流中p H、SS、TN、TP的时空变化规律及氮磷污染物的组成特点。本研究还分析了各污染物间的相关性大小及坡度、降雨量与路面径流中各污染物迁移转化之间的关系。此外,另在试验室中开展模拟试验,进一步探究不同材质路面截留径流中氮磷污染物的效果,并对试验前后沥青、水泥路面通过SEM、EDS、FT-IR、XPS、BET等手段进行材料表征,明确不同材料对于各污染物的截留机制,得到的主要结论如下:（1）各次模拟降雨试验,沥青、水泥道路径流中p H均保持相对稳定,呈弱碱性,其余各污染物浓度随降雨历时的增加,污染物浓度总体呈降低趋势。单次径流过程中,降雨前期,污染物累积较多,随着流程的增加呈现逐渐上升的态势,降雨后期,污染物浓度基本保持不变或略有下降。（2）模拟中雨情况下,沥青、水泥路面径流中p H均呈弱碱性,并且相对稳定;沥青路面径流SS、TN浓度均远高于水泥路面径流,TP浓度与水泥路面径流相比也略高;并随坡度的增加,沥青路面径流SS、TN、TP浓度逐渐增小;水泥路面径流中SS、TP浓度均先上升后下降,而TN浓度与前二者不同,呈现出先下降后上升的趋势。两种路面径流中TN、TP赋存形态相似,氮素为硝态氮为主,有机氮其次,亚硝态氮及氨氮较少;磷素以有机磷及胶体磷为主,磷酸盐含量则相对较低。要想有效的控制城市面源污染,在城市建设的过程中,在可行的情况下,路面建设应尽量选择沥青路面并尽可能加大坡度。（3）三种降雨情况下,小坡度的沥青、水泥路面径流中p H也均呈弱碱性,并保持相对稳定;沥青路面径流SS、TN、TP浓度均高于水泥路面径流;并随着雨量的增加,沥青路面径流中三种污染物变化规律不同,SS浓度逐渐增大,TN浓度呈现出先下降后上升的趋势,TP浓度则表现为先上升后下降的趋势,水泥路面径流中SS浓度逐渐增大,TN、TP浓度变化规律相同,均为先上升后下降的态势。沥青、水泥路面径流中TN、TP形态组成类似,氮素主要以硝态氮为存在,有机氮其次,亚硝态氮及氨氮含量较少;磷素主要以有机磷及胶体磷的形式存在,磷酸盐占比较低。沥青路面径流中各污染物浓度虽略高于水泥路面,但由于沥青路面所具有的表面平整、耐磨、噪音低等优点,在未来的城市建设过程中仍优先选用沥青路面,但需适当建设一些配套的面源污染控制工程。初期径流控制量应定为5-10mm,才能更好的保护城市的水环境。（4）不同降雨条件下,各沥青、水泥两种路面径流中,TN、TP相关性均较小;中雨情况下,坡度中的沥青路面径流中,部分TN、TP以颗粒态的形式存在。小雨、大雨情况下,沥青路面径流,部分TN以颗粒态的形式存在;水泥路面径流,部分TP以颗粒态的形式存在。因此,增加道路清扫频次,建设一些沉淀、过滤等工艺原理的面源污染控制工程,能有效截留悬浮物并对径流中的氮磷污染达到同步去除的目的。（5）沥青、水泥对于氮磷污染物截留效果的影响因素显著程度为:TN,沥青、水泥路面均为:温度＞降雨量＞流行时间;TP,沥青路面为:温度＞流行时间＞降雨量,水泥路面为:温度＞降雨量＞流行时间。春秋季大坡度的沥青路面对于小雨径流中氮磷污染物的截留效果最佳。春秋季坡度中等水泥路面对于中雨径流中氮磷污染物的截留效果最佳。此结论对于后期城市面源污染的设计具有一定的指导意义。（6）沥青、水泥两种路面材料均以物理与化学的方式共同截留径流中氮磷污染物。沥青路面,截留的氮磷污染物量:化学作用＞物理作用;水泥路面,截留的氮磷污染物量:物理作用＞化学作用。化学截留作用的发生需要更为苛刻的条件,因此,在当下海绵城市建设的过程中,我们更应重视所配套的城市面源污染控制工程的建设。

随着城市化进程的加快,城市雨水管理问题日益凸显。为缓解城市化进程带来的城市内涝、水资源紧缺、水体污染等一系列问题,我国提出建设自然积存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”,恢复天然水循环。在海绵城市建设过程中,通常采用年径流总量控制率、径流污染削减率等刚性指标对其建设成效进行评估预测。然而,目前对于海绵城市径流量及径流污染的估计依赖于流域机理性分布式水文模型或者大量在线监测设施,缺乏简单高效的评估及预测工具。目前国内外常用的城市流域水文模型以美国EPA SWMM及其衍生的一系列商业软件为主,它们属于机理模型,具有“过程驱动”的根本特征,存在着参数众多复杂、模型率定困难、对技术人员的专业要求高等局限性。随着大数据、云计算等高新技术的不断发展,以在线监测大数据为支撑的人工智能模型成为城市雨水模型的发展趋势。其中,以人工神经网络（ANN）为代表的数据驱动模型由于具有良好的构建复杂非线性映射的能力已经在模拟天然河流水文等方面得到了应用。随着海绵城市建设模式在我国的大力推广,快速准确预测海绵城市建设指标的需要日趋紧急。针对海绵城市建设过程中频繁需要对径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制等指标完成情况进行评估和预测这一重大技术需求,以国家级海绵城市试点重庆悦来新城国博中心片区为研究区域,基于2019～2020年间8个监测站点的径流实测数据,开展了数据驱动模型对于建有径流控制设施的流域的径流进行评估及预测的研究。本研究探究了逐步回归分析和主成分分析变量预处理方法,探讨了变量预处理算法和数据驱动模型之间的耦合模式,构建并研究了多元线性回归及BP神经网络对于具有海绵设施区域的径流量、峰值流量及污染负荷的预测性能和精度。研究以降雨要素、下垫面条件、低影响开发设施规模等因子作为原始变量,利用逐步回归分析对原始变量进行筛选分别构建了径流总量预测、径流峰值流量预测和径流污染负荷预测多元线性回归模型;利用主成分分析对原始变量进行降维处理分别构建了径流总量预测、径流峰值流量预测和径流污染负荷预测BP神经网络模型。用多种综合指标对两类模型进行有效性评价并对两类模型进行了对比。主要研究内容及结论如下:（1）海绵城市径流总量预测多元线性回归模型和BP神经网络模型通过逐步回归分析筛选出对径流总量具有显著影响的原始变量构建了径流总量预测多元线性回归模型。对原始变量进行主成分分析,由主成分分析得到的六个主成分作为输入变量构建了径流总量预测BP神经网络模型。由测试集的预测结果得出,径流总量多元线性回归模型R~2为0.6208;径流总量BP神经网络模型R~2为0.8475。相比于多元线性回归模型,BP神经网络模型将NSE的值提升了36.6%,将RMSE的值降低了13.5%,将R~2的值提升了36.5%。结果表明,BP神经网络可以更有效的预测海绵城市径流总量。（2）海绵城市径流峰值流量多元线性回归模型和BP神经网络模型与海绵城市径流总量预测模型类似,利用逐步回归分析筛选变量构建了径流峰值流量多元线性回归模型。通过主成分分析得到的六个主成分构建了径流峰值流量BP神经网络模型。在测试阶段,径流峰值流量多元线性回归模型R~2为0.4505;径流峰值流量BP神经网络模型R~2为0.8078。与多元线性回归模型相比,BP神经网络模型将NSE的值提升了71.3%,将RMSE的值降低了38.8%,将R~2的值提升了79.3%。径流峰值流量BP神经网络模型在预测效果方面有了非常显著的提升。（3）海绵城市径流污染负荷多元线性回归模型和BP神经网络模型首先,根据原始监测数据计算了场次降雨径流污染物平均浓度（EMC）。根据逐步回归分析的筛选结果构建了径流污染负荷多元线性回归模型。通过主成分分析得到的六个主成分构建了径流污染负荷BP神经网络模型。径流污染负荷多元线性回归模型测试集的R~2为0.5557,径流污染负荷BP神经网络模型测试集的R~2为0.8161。相比于多元线性回归模型,BP神经网络模型将NSE的值提升了41.7%,将RMSE的值降低了35.8%,将R~2的值提升了46.9%。结果表明,BP神经网络在径流污染物的预测方面同样具有良好的效果。总体来看,BP神经网络模型对于径流总量、径流峰值流量以及径流污染负荷三个海绵城市建设成效评价的关键指标表现出更优的预测性能。由于降雨径流关系是自然当中最复杂的水文现象之一,而多元线性回归在捕获线性关系方面具有比较好的效果,因此对于非线性关系具有更好拟合能力的BP神经网络在所构建的三类模型当中均具有更好的效果。在具体的径流控制设施的规划与设计过程中,利用相关模型对其径流量控制效果进行评估预测是保障海绵城市建设科学性、经济性的前提。本研究构建的两种数据驱动模型框架为类似地理条件的新开发地区的海绵城市建设及径流控制设施的设计提供了低成本高精度的计算工具,使得决策者和规划者可以在流域总体规划之初,更科学精准的规划布局径流控制类绿色基础设施。