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氮的生物地球化学循环是地表环境中最复杂的物质循环之一,由于人类活动输入“活性氮”的影响,全球氮循环严重失衡,引起水体富营养化等环境问题。浅水型湖泊对氮污染响应敏感,极易发生氮循环失衡。因此,探讨浅水型富营养化湖泊微生物驱动下氮的生物地球化学循环及其环境效应,对于湖泊水生态安全具有重要的理论与科学指导意义。本论文选取太湖不同营养水平湖区（梅梁湖-中度富营养、胥湖-轻度富营养）、太湖西部河湖系统（南河水系-西部湖区）为典型研究区域,基于宏基因组测序技术,系统鉴别了研究区域水体与沉积环境氮转化功能基因丰度特征,构建了微生物驱动下的氮循环路径;基于修正的同位素配对技术（r-IPT）及15NH4+、15NO3-标记方法,开展了沉积物柱状样流动培养、泥浆培养和上覆水培养实验,重点解析了厌氧氨氧化（anammox）、反硝化、硝酸盐异化还原为铵（DNRA）以及硝化过程速率,探讨了环境因子对氮转化过程的影响;基于15N、18O稳定同位素示踪技术,甄别了太湖西部南河水系氮的主要来源,结合河湖系统同位素分馏特征、氮赋存形态及其转化速率,阐明了太湖西部河湖系统外源性氮的迁移转化途径及其累积成因。论文主要研究结果如下:（1）利用宏基因组测序技术,系统鉴别研究区域上覆水及其沉积环境氮转化功能基因及其潜在路径。研究区域上覆水环境,宏基因组测序共注释33种氮转化功能基因,覆盖固氮、矿化、硝酸盐同化还原、DNRA、硝化、反硝化6大类氮循环途径,包含了N2还原为NH4+、Org N矿化为NH4+、NO3-同化还原、NO2-同化还原、NO3-异化还原为NH4+、NH4+氧化为NH2OH、NH2OH氧化为NO2-、NO2-氧化为NO3-、NO3-还原为NO2-、NO2-还原为NO、NO还原为N2O、N2O还原为N2共12个氮转化过程;相对应的沉积环境,除上述氮转化功能基因,进一步鉴别到anammox功能基因（hzs A、hzs B、hdh）,覆盖了NO与NH4+转化为N2H4及N2H4还原为N2的anammox过程,揭示了anammox过程仅存在于沉积环境。（2）利用氮转化功能基因丰度特征,对比了不同环境介质条件下氮转化功能基因丰度特征及其潜能的差异性。上覆水环境氮转化功能基因丰度依次为矿化（64.13±13.44%）＞反硝化（21.50±6.89%）＞DNRA（4.79±9.24%）＞硝酸盐同化还原（4.77±1.23%）＞硝化（3.95±2.75%）＞固氮（0.85±1.57%）,相对应的沉积环境,氮转化功能基因丰度表现为矿化（58.78±6.70%）＞反硝化（23.46±1.42%）＞硝化（7.32±3.28%）＞DNRA（5.13±4.00%）＞固氮（3.56±6.56%）＞硝酸盐同化还原（1.69±0.33%）＞anammox（0.06±0.05%）。与上覆水环境对比,沉积环境具有更高的反硝化、硝化、DNRA、固氮基因丰度及其转化潜能。空间对比上,对于上覆水环境,中度富营养湖区比轻度富营养湖区具有更高的硝化和反硝化基因丰度,南河水系比西部湖区具有更高的固氮、硝化和反硝化基因丰度;对于沉积环境,中度富营养湖区比轻度富营养湖区具有更高的anammox和硝化基因丰度,南河水系比西部湖区具有更高的固氮和反硝化基因丰度,呈现了氮转化功能基因丰度随着营养水平的降低而降低的基本规律。（3）基于15N同位素标记技术,定量解析了anammox、反硝化、硝化等关键过程的转化速率及其与基因丰度的相关性,揭示了浅水型不同营养水平湖区anammox的脱氮贡献及其空间差异性。柱状流动培养、泥浆及上覆水培养结果表明,南河水系、西部湖区（中度富营养）、梅梁湖（中度富营养）、胥湖（轻度富营养）四季anammox速率分别为2.02±1.30、2.39±1.51、0.92±0.41和0.02±0.01μmol N m-2 h-1,反硝化速率为5.23±0.98、4.43±0.70、2.99±1.16和0.43±0.24μmol N m-2 h-1,anammox脱氮贡献率为26±10%、32±12%、24±6%和4±1%;硝化速率为7.31±2.07、11.46±3.13、6.74±2.45和4.24±2.08μmol N L-1 d-1;DNRA速率为3.03±0.95、2.26±0.94、1.80±0.86和0.63±0.19μmol N kg-1 h-1,DNRA对NO3-还原贡献率为11±2%、7±1%、4±1%和1±0.2%。上述成果表明,不同营养水平湖区的硝化速率均大于脱氮速率;营养水平越高,氮转化速率越高,anammox脱氮贡献越大,最高可达44%。anammox、硝化和DNRA速率与其功能基因丰度所表达的潜能一致,而反硝化速率与其功能基因丰度所表达的潜能不一致。（4）基于15N、18O稳定同位素示踪技术,甄别了湖泊外源性氮源及其迁移转化途径。以太湖西部主要入湖河道南河水系及其西部湖区为研究对象,重点分析上覆水及其沉积环境δ15N-NH4+、δ15N-NO3-、δ18O-NO3-稳定同位素组成,入湖氮源甄别结果表明,枯水期超过90%的取样点δ15N-NO3-小于2‰,丰水期50%的取样点δ15N-NO3-大于8‰,超过70%的取样点δ15N-NH4+大于8‰,表明南河水系枯水期NO3--N主要来源为氮肥和土壤有机氮,丰水期来源于城市管道溢流的生活污水,生活污水是南河水系NH4+-N的主要来源。δ15N同位素分馏特征表明,西部湖区上覆水δ15N-NH4+高于南河水系,表明南河水系携带的污水溢流NH4+-N进入湖区后发生了显著的硝化过程;湖区沉积物δ15N-NO3-高于上覆水,表明沉积环境发生了反硝化与anammox脱氮过程。在浓度梯度的驱动下,外源性氮的硝化作用产物NO3-向沉积环境迁移,而沉积环境中来源于矿化产物的NH4+-N向上覆水环境迁移。（5）综合湖泊水环境氮的赋存、同位素分馏及其转化速率特征,揭示了外源性氮源的湖相循环过程及其累积成因。2013～2017年四季监测数据表明,南河水系上覆水氮的赋存形态主要为NH4+和NO3-,而西部湖区上覆水氮的赋存形态主要为NO3-,对应的沉积环境氮的赋存形态主要为有机氮,其无机氮主要为NH4+。在沿程迁移转化上,入湖NH4+发生了显著的硝化作用,其NH4+浓度较南河水系降低54%,NO3-浓度升高23%,湖区硝化速率(11.46±3.13μmol N L-1 d-1)显著高于南河水系(7.31±2.07μmol N L-1 d-1),湖区上覆水NH4+富集重同位素,验证了上述过程特征。在湖区水-沉积物界面上,沉积环境NO3-富集重同位素,表明沉积环境发生了显著的反硝化过程,但脱氮速率(6.82±2.10μmol N m-1 h-1)显著低于对应的上覆水硝化速率(11.46±3.13μmol N L-1 d-1),导致湖区上覆水NO3-累积。因此,脱氮过程限制是太湖NO3-累积的重要原因。本文的主要创新性成果为:（1）利用宏基因组测序技术,对浅水型富营养化湖泊-太湖不同生境介质环境下的氮转化功能基因进行了全面鉴别,克服了传统方法只能研究单一氮转化过程的缺憾,揭示了不同富营养水平湖区微生物驱动下的氮循环过程特征。（2）基于修正的同位素配对技术,在淡水系统开展了原位环境条件的沉积物柱状样流动培养实验,定量解析了太湖不同营养水平湖区原位anammox速率及其脱氮贡献率,丰富了对淡水系统原位anammox过程效应的认识。（3）基于稳定同位素示踪技术,甄别了太湖西部河湖系统外源性氮源及其湖相迁移转化途径,综合氮的赋存、同位素分馏及氮转化速率特征,阐明了太湖西部河湖系统氮的累积成因,为浅水型湖泊氮污染有效防控提供了理论依据。