氮(N)与磷(P)均为水体初级生产力的关键限制性营养元素，其过量输入将导致浮游植物生物量的剧增，甚至引起蓝藻水华，这一过程称为富营养化。而其间N和P的相对贡献与交互作用的方式尚未得到充分的研究。作为硝化作用的关键限速步骤，氨氧化在湖泊N的去除过程中具有重要功能，其发生将伴随厌氧状态的形成和加剧，促进P的释放，进而导致湖泊N和P化学计量组成的明显变化，由此构成蓝藻水华发生和优势种演替的营养基础，故富含生态学意义。然而，湖泊富营养化过程中，P的富集对驱动沉积物氨氧化的关键微生物群落—氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea，AOA)与氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria，AOB)及其功能的影响方式和机制仍不甚明晰。本文以武汉市汉南养殖池塘和展现富营养化梯度的巢湖不同湖区以及武汉市严东湖、后官湖、知音湖与汤逊湖等湖泊为实验对象，结合野外调查和室内模拟实验，通过末端限制性片段长度多态性分析(T-RFLP)、克隆文库和荧光定量PCR等分子生物学手段，系统分析了沉积物AOA和AOB的数量、群落结构及其功能，以期进一步阐明富营养化过程中氨氧化微生物群落与功能的变化模式及其与P循环之间交互作用的机制，进而深入揭示沉积物硝化作用对湖泊N和P化学计量组成的关键调控作用，并据此研发同步脱氮除磷的高效生态修复技术（即生物过滤系统）。主要结果如下:　　1.在位于武汉南郊的3个养殖池塘中，养殖密度较高者水柱中总氮(TN)浓度和化学需要量(COD)均显著高其余二塘的相应值。沉积物有机质及其组分多糖和蛋白质的含量亦有上述趋势。各塘沉积物AOA和AOB的数量分别为4.13×106、4.04×106、2.53×106和1.19×107、8.78×106、8.44×106copies/g，多样性指数分别为0.69、0.98、0.53和2.07、2.43、2.58。其中AOB的数量和多样性指数均显著高于AOA的相应值。此外，AOA数量和多样性指数均与间隙水NH4+-N浓度显著负相关，而AOB数量与间隙水溶解反应性磷（SRP）浓度显著正相关。因此，养殖活动的增强导致沉积物N和P的富集，二者（尤其是P）含量的增加显著提高AOB的数量和多样性，同时对AOA产生相反的效应，致使AOB成为行使硝化功能的优势类群。　　2.武汉市各实验湖泊以及巢湖不同区域的营养状态差异明显。水柱中TN和总磷(TP)浓度的比值(TN/TP)以及间隙水中溶解态无机氮(DIN)和SRP浓度的比值(DIN/SRP)均与湖泊营养状态指数(TSI)显著负相关。TSI与沉积物硝化速率(PNR)显著正相关。此外，PNR亦与水柱中TN/TP和间隙水DIN/SRP显著负相关。因此，在湖泊富营养化过程中，水中N和P的比例(N/P)将随沉积物PNR增加而逐渐降低。换言之，湖泊沉积物硝化功能的增强将有效改变其N和P的化学计量学关系。　　3.营养状态各异的武汉市湖泊沉积物AOA和AOB数量均与TSI和PNR显著正相关，而AOB/AOA亦与之显著正相关。巢湖沉积物AOA和AOB的分布具有明显的时空异质性。来自不同季节和采样点数据的综合分析结果表明，AOA数量与TSI和PNR均显著负相关，AOB数量和AOB/AOA则与之显著正相关。从总体上讲，巢湖沉积物AOA隶属于土壤支系(groupⅠ.1b)和海洋支系(groupⅠ.1a)，AOB则属于Nitrosospira簇和Nitrosomonas簇。就AOA而言，以4号采样点为代表的营养状态较低的东部湖区groupⅠ.1a相对丰度高于以16号采样点为代表的营养状态较高的西部湖区的相应值。此外，营养状态较低的秋季和冬季相应点的groupⅠ.1a相对丰度均高于营养状态较高的春季和夏季的相应值。GroupⅠ.1b则反之。就AOB而言，东部湖区的4号采样点的Nitrosospira簇的相对丰度高于西部湖区的16号采样点的相应值。秋季和冬季相应点的Nitrosospira簇相对丰度均高于春季和夏季的相应值。Nitrosomonas簇则反之。简言之，湖泊营养状态对沉积物氨氧化微生物数量和群落结构均有显著的调控作用。值得注意的是，非度量多维尺度分析(NMDS)的结果表明，巢湖沉积物AOB群落结构与PNR显著相关，AOA则与之无关。因此，在湖泊富营养化过程中，无论从数量和群落结构上讲，与AOA相比，AOB将在硝化过程中逐渐行使主导功能。　　4.武汉市湖泊沉积物AOA和AOB数量以及PNR均与间隙水SRP浓度显著正相关。来自不同季节和采样点数据的综合分析结果表明，巢湖间隙水NH4+-N浓度与AOA数量显著负相关，与AOB数量、AOB/AOA和PNR均显著正相关。沉积物不同P参数，如间隙水SRP浓度、铁结合态磷(Fe(OOH)～P)含量、有机磷细菌(OPB)数量和碱性磷酸酶活性(APA)均与AOB数量、AOB/AOA和PNR显著正相关。故湖泊富营养化过程中，NH4+-N和不同形态的P的累积以及二者的共同作用当为AOB逐渐行使主导功能的重要原因。此外，以巢湖沉积物为对象的室内模拟实验结果表明SRP和沉积物OPB均能通过促进AOB的生长且提高PNR。因此，Fe(OOH)～P和有机磷作为沉积物磷的主要组分，可通过不同的机制形成持续补给的P源，促进AOB的生长，并通过氨氧化作用的增强为N的去除创造有利条件。再者，沉积物磷平衡浓度(EPC0)与AOB数量、AOB/AOA和PNR均显著正相关，故硝化功能的增强将导致沉积物磷的大量释放，并与上述N去除效应的增强共同促使水中N/P的显著下降。简言之，湖泊N和P生物地球化学循环在硝化作用中的偶联是二者在化学计量学上失衡的关键驱动力。　　5.根据上述机制重构了以土壤为基质的N和P的生物过滤系统。首先，富铁粘土的添加有效增强了系统吸附P的能力，提高了P的去除效率（均＞95％）;其次，植物碎屑的添加促进了硝化菌和反硝化菌的生长，相关活性亦明显增强，TN的去除效率分别提高了17.6％和22.5％。且硝化与反硝化菌对不同类型有机碳的响应方式各异，水生植物碎屑更加有利于硝化菌的生长，而反硝化菌则适应陆生植物碎屑;再次，巢湖沉积物的添加明显改变了硝化与反硝化微生物的群落，其除N功能亦得以有效提高。上述添加物兼备的处理组N和P的去除效率均达最高水平，其中TP和TN的去除效率分别为97-99％和60-63％。简言之，高效P吸附剂、植物碎屑与沉积物的添加可为硝化与反硝化菌提供丰富的P、有机碳和种源，并创造其适宜生境与独特群落，由此构成N与P同步去除的最佳耦合方式，进而实现N和P去除功能的优化。　　综上所述，浅水湖泊沉积物硝化作用将循寡营养至富营养的梯度显著增强。相对于AOA而言，AOB将在不断富集的P的驱动下，通过提高数量和改变群落组成逐渐行使主导功能，实现N的有效去除，同时促进P的释放，最终导致水中N/P的显著降低。依据上述机制可对生态修复技术的材料和工艺实施优化与革新，进而产生营养污染去除的最大效益。