潜流带是地表水与地下水混合带，具有强烈的物理、化学、温度以及生物学梯度，是硝酸盐发生衰减去除的重要区域。当河水携带DOC、NO3^-、DO等营养物质进入河床后，由于有氧呼吸消耗，DO沿流线方向逐渐降低。潜流带全局可分为富氧区（利于硝化产生NO3^-）和缺氧区（利于反硝化去除NO3^-）。由于富氧区有氧呼吸大量消耗DOC，缺氧区反硝化常常会因DOC短缺而受到抑制。此外，已有许多野外与实验数据表明，全局富氧区同时还存在大量呈散落状分布的缺氧微区。缺氧微区兼具充足DOC、NO3^-和缺氧环境，非常利于反硝化，可大大提高NO3^-去除效率。这些具有高效去除NO3^-潜势的局部微区，称为反硝化热微区。当前国内针对潜流带NO3^-迁移转化已开展了大量工作，但对于反硝化热微区的形成与演化尚未完全理解。
本研究通过构建不同尺度下潜流带水流-营养物反应运移-微生物膜生长新耦合模型，揭示微生物膜生长过程中反硝化热微区的形成机理与演化模式。研究发现，孔隙尺度下，热微区形成与演化依赖于微生物膜渗透性。对于渗透性较好的微生物膜，热微区可持续性存在，主要形成于由沉积物颗粒导致的慢速流区或不流动区，如颗粒边壁附近及紧邻颗粒的下游慢速-不流动区。热微区可持续性存在的前提条件是河水具有充足的营养物质（保证一定量的微生物生长繁殖）和潜流带始终保持对流传输主导（保证发育一定大小的全局富氧区以容纳缺氧微区）。对于低渗透性微生物膜，热微区仅能短暂存在，主要形成于微生物膜与颗粒圈闭形成慢速或不流动区。床面尺度下，热微区形成主要取决于河床沉积物非均质性。微生物膜生长诱导形成的局部低渗透微生物活性区导致热微区既可形成于全局富氧区，也可形成于全局缺氧区。热微区不仅可形成于有机质丰富的细粒结构，还可形成于有机质贫乏的粗粒结构。这些新的发现显著有别于热微区仅能形成于有机质丰富且位于全局富氧区的细粒结构的传统认识。以往针对床面沉积物的均质性概化和均一恒定的微生物量分布可导致关于潜流带NO3^-去除的估计严重失真。
 

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