本发明涉及水生态修复领域，尤其涉及一种城市河流生态修复对微生物介导氨氮转化影响的预测方法。
背景技术：
1、城市河流承担着防洪排涝、气候调节、景观美化和生态保护等多重功能。近年来，随着城市化程度不断提高、区域社会经济快速发展和城市人口数量急剧上升，大量的氮素通过大气沉降、面源冲刷、降雨径流等方式进入水体，导致城市河流成为氮污染的热点区域。水体中过量的nh3-n会造成富营养化、溶解氧降低和水生生物多样性下降等问题，已成为影响城市河流水质的首要污染物。微生物在城市河流nh3-n去除中扮演着至关重要的角色。对比生物吸收和沉积作用只是对nh3-n进行短暂的固定，最终因为动植物的凋亡和沉积物的缓释使其重新汇入到河流生态系统中，微生物介导的硝化-反硝化过程能将nh3-n以气体形式释放到大气中，从而从水体中永久性地去除氮素。此过程作为河流生态系统中最主要的脱氮过程，占总脱氮量的60～90％。
2、现有的人工曝气和沉水植物修复等典型水生态修复措施会导致城市河流的微生物群落组成及功能发生改变，进而影响水体nh3-n浓度。例如，曝气复氧会使好氧微生物成为水体中的绝对优势菌种，从而促进硝化-反硝化过程；沉水植物的叶和根能为微生物提供生态位及营养物质，同时会增加水体微环境的异质性，提高外源优势益生菌群落丰富度。
3、基于长期监测评价水生态修复措施效果，其成本较高、难以覆盖全河段，而水动力-水质模型能预测单一措施或组合措施作用下任一河段任一时刻的nh3-n去除率。目前常见的模型有wasp、mike11、qual2k等。但是传统的模型往往将微生物对nh3-n去除过程视为关于吸收量的常数，低估了微生物作用的重要贡献，忽略了不同外界环境条件下nh3-n去除率的动态变化。这将导致城市河流修复工程中nh3-n浓度的估算不准确。因此，有必要构建城市河流微生物介导的nh3-n转化过程模型，量化典型水生态修复措施对微生物介导nh3-n去除过程的影响，对于城市河流水质稳定达标与生态修复措施优化布设等具有重要指导意义。
技术实现思路
1、针对上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种城市河流生态修复对微生物介导氨氮转化影响的定量预测方法，以更科学的有效克服了传统水动力-水质模型中将微生物对nh3-n去除过程视为关于吸收量的常数，低估了微生物作用的重要贡献，忽略了不同外界环境条件下nh3-n去除率的动态变化，导致城市河流修复工程中nh3-n浓度估算不准确的问题，通过自主构建城市河流微生物介导的nh3-n转化过程模型，实现典型水生态修复措施对微生物介导nh3-n去除过程影响的量化，具体技术方案为：
2、城市河流生态修复对微生物介导氨氮转化影响的预测方法，包括如下步骤：
3、s1、基于微宇宙模拟实验建立不同溶解氧浓度和沉水植物生物量下的氨氮去除系数k与微生物功能基因丰度的分段拟合函数；
4、s2、通过综合降解与生物降解系数的测算，量化微生物作用在氨氮去除过程中的贡献率α；
5、s3、将拟合函数应用于传统水质模型中氨氮去除系数k的确定，结合微生物贡献率α构建城市河流微生物介导的氨氮转化过程模型；
6、s4、利用决定系数和纳什效率系数评价改进后的水质模型与传统水质模型在模拟氨氮浓度时空分布上的效果；
7、s5、设置不同人工曝气和沉水植物修复等情景，量化典型水生态修复措施对微生物介导氨氮去除过程的影响。
8、进一步地，所述步骤s1中包括如下步骤：
9、s1.1、以50l顶端开口的塑料桶(提前使用10％hcl酸洗)为主体建立室内微宇宙培养系统，考虑到城市河流实际水深情况和实验装置限制，在塑料桶底层铺设0.2m厚的底泥，体积约为10l，然后添加0.6m深的水样，体积约为30l，泥水比为1：3，装置下半部分用黑色不透明贴纸做遮光处理，以模拟河流实际情况。模拟实验使用的水样和底泥均来自于城市河流原位采集，使用采水器采集河流上覆水并用聚乙烯桶收集混合，利用抓斗式采泥器(xdb0201,pusen,china)采集表层沉积物，去除树枝、石块等异物并混合均匀后用于实验。实验过程保持恒定的室温(25±1℃)，分别模拟人工曝气和沉水植物两种修复措施的作用效果。
10、于泥水界面上方0.1m处安装微孔曝气器，由通气管道与气体流量计、压力表和空气压缩机相连。先向反应器内通氩气(ar)以降低do含量，再调节曝气流量控制实验系统水体do浓度梯度。选用本地优势种为实验用沉水植物，种植前用自来水清洗去除植株上附着的底栖动物、附着藻类以及鱼卵，选择健康植株用于栽培实验，种植时尽量保持单株生物量一致。
11、s1.2、分别调节水体do浓度和沉水植物覆盖率，模拟不同条件下的nh3-n浓度与微生物群落动态变化。静置两天待系统稳定后，实验开始前采集一次初始样品，随后连续7天采集水质及沉积物样品，每个样品采集3个平行样。通过虹吸装置抽取上、中、下层不同水深处的水样混合，其中500ml用于水质理化参数分析，1l经0.22μm孔径的滤膜过滤，与沉积物样品一起保存至-80℃冰箱用于微生物测序。用于微生物测序的水样经过滤后倒回装置内，避免水量损失过大。
12、s1.3、以氮转化功能基因丰度为自变量，nh3-n去除率为因变量，应用逐步回归分析的方法建立“最优”回归方程，量化不同功能基因对nh3-n转化速率的影响。具体是将每个变量依次引入到回归方程中，通过f检验(显著性检验)的解释变量进行引入，不显著的变量进行剔除；已经被选入的解释变量有可能会由于引入新的解释变量而失去显著性与重要性，进行t检验考虑是否将其从回归方程中剔除，以确保每次引入新的变量之前回归方程中只包含对因变量作用显著的变量；反复进行这一过程直到在回归方程中既不需要选入显著的新变量，也不需要剔除不显著的变量为止。
13、进一步地，所述步骤s2中包括如下步骤：
14、在5l反应器内模拟河流环境，控制泥水比为1：3，其中1组加入50ml饱和zncl2溶液用于抑制生物作用，另一组不做处理。实验开始前先取500ml水样测定nh3-n浓度初始值，24h后取水样再次测定nh3-n浓度，测定结果取3个平行样的均值。污染物降解过程类似一级动力学关系，由于城市河道水体缺少流动性，因此在计算过程中忽略流速对降解系数的影响，具体公式如下：
15、ct＝c0×ekt (1)
16、式中，c0为nh3-n初始浓度，mg/l；k为降解系数，d-1；t为时间，d。
17、以生物降解系数为综合降解系数的常数倍，建立nh3-n降解的动力学方程，公式如下：
18、
19、其中，kb表示生物降解系数，kc表示综合降解系数，α表示微生物贡献率，c0表示nh3-n初始浓度，cb表示nh3-n仅通过微生物作用降解后的浓度，cc表示nh3-n综合降解后的浓度。
20、进一步地，所述步骤s3中包括如下步骤：
21、基于微宇宙模拟实验结果，将nh3-n去除率表达为一个包含微生物贡献率α和微生物功能基因丰度的分段函数，并将该方程与水动力学模型mike 21耦合。具体公式如下：
22、
23、式中，km为不同do浓度和沉水植物覆盖率条件下的nh3-n去除系数；gi为25℃时第i个微生物功能基因的丰度；μmax,25为微生物在25℃时的最大生长速率，θ为微生物生长的温度系数，℃-1；knh3是微生物吸收nh3-n的半饱和常数。
24、进一步地，所述步骤s4中包括如下步骤：
25、利用决定系数(r2)和纳什效率系数(ns)评价改进后的水质模型与传统水质模型在模拟氨氮浓度时空分布上的效果。
26、
27、式中xm,i为第i个实测值；xm是所有实测值的平均值；xs,i为第i个模拟值；xs是所有模拟值的平均值；n为测量值的个数。r2越接近1，说明模拟值与实测值越接近，模型效果越好。ns的范围为-∞到1，其中ns>0.5表明模型效果可以接受。
28、进一步地，所述步骤s5中包括如下步骤：
29、基于现场调查及遥感影像，明确研究区域内人工曝气和沉水植物修复措施的空间位置及运行规则，通过eco lab模块概化这些措施。人工曝气措施以连通源的形式概化(点源对)，并在eco lab的source模块设置点源浓度，向水体中添加额外的溶解氧，该源项的设置基于曝气量和效率，反映设施的氧气增强作用。沉水植物修复措施通过调整沉水植物的空间分布特征的dfsu文件，并在eco lab模块中调整植物吸收能力参数，即可实现研究区沉水植物的概化。
30、根据本发明的一个方面，提供一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行上述任一项所述的城市河流生态修复对微生物介导氨氮转化影响的预测方法。
31、根据本发明的另一个方面，提供一种电子设备，包括处理器和上述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
32、相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
33、1、本发明将nh3-n去除率表达为一个包含微生物贡献率α和微生物功能基因丰度的分段函数，并将该方程与水动力学模型mike 21耦合，解决了传统模型忽略了不同外界环境条件下微生物介导的硝化-反硝化作用等复杂过程的动态表达的问题。
34、2、本发明运用多情景模拟技术，揭示了微生物介导机制下，城市河流中nh3-n去除过程如何受到不同水生态修复措施的影响，进而构建起一套详尽的影响机制模型。这一突破性成果，不仅有效克服了传统长期监测手段在评估水生态修复效果时面临的成本高、河网覆盖难度大等固有局限，更为水环境治理与保护领域提供了一把精准的“钥匙”，助力实现更高效、更经济的河流生态恢复与水质净化目标。
1.城市河流生态修复对微生物介导氨氮转化影响的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2具体包括：
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s3具体包括：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中，决定系数r2和纳什效率系数ns的具体公式为：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5具体包括如下步骤：
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求1-6中任一项所述的城市河流生态修复对微生物介导氨氮转化影响的预测方法。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和权利要求7所述的存储介质，所述处理器执行所述存储介质中的指令。
