典型河口區(qū)沉積物的硝化和反硝化過程.pdf

1、僅在過去四十年，人類通過陸源輸入向海洋排放的氮量就增加了一倍。氮輸入量的增加導(dǎo)致了海洋嚴(yán)重的人為富營養(yǎng)化，造成海水透明度下降、耗氧量增加甚至威脅到人類健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。硝化反應(yīng)將NH+4經(jīng)NO-2氧化為NO-3，是氮循環(huán)中連接生物固氮和厭氧反硝化作用的重要環(huán)節(jié)；同時(shí)還會消耗水體和沉積物中大量的氧氣，導(dǎo)致陸架海域低氧甚至缺氧區(qū)的形成。反硝化作用把NO-2氧化為NO-3轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的N2O或N2，對于緩解海水的富營養(yǎng)化、估算氮循環(huán)通量研究全球氣

2、候變化都具有重要的意義。因此，硝化和反硝化過程及其對環(huán)境因子變化(如氣候變暖、難降解有機(jī)物污染及氮富營養(yǎng)化)的響應(yīng)成為海洋環(huán)境科學(xué)中的一個(gè)重要的研究課題。 已有的研究表明，溫度、鹽度、溶解氧和NH+4含量等環(huán)境變量是影響硝化和反硝化速率的主要環(huán)境因子，而通過氨單加氧酶(amo)實(shí)現(xiàn)NH=4至NO-2轉(zhuǎn)化的自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌活性是硝化反應(yīng)的限速因子。以DNA序列技術(shù)為基礎(chǔ)的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手段可以實(shí)現(xiàn)對硝化細(xì)菌的特異性染色或擴(kuò)增，進(jìn)而不

3、經(jīng)過培養(yǎng)就能夠?qū)ο趸?xì)菌的數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。反硝化細(xì)菌群落較復(fù)雜，難以采用分子生物學(xué)技術(shù)，但以傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法仍可以估算其數(shù)量及分布的趨勢。盡管如此，關(guān)于硝化和反硝化過程、環(huán)境因子及細(xì)菌群落特征關(guān)系的系統(tǒng)性研究還極少。 本論文選取長江口、黃河口以及英國的Colne河口區(qū)作為研究海域，測定了表層沉積物的硝化和反硝化速率，硝化和反硝化細(xì)菌數(shù)量的分布；與環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析，討論了硝化和反硝化作用的主要控制因子，為探討環(huán)境因子

4、的變化對硝化和反硝化過程的影響提供了理論依據(jù)；通過計(jì)算硝化和反硝化過程產(chǎn)生的N、O通量說明其重要的環(huán)境效應(yīng)。 長江口夏初的硝化反應(yīng)速率范圍為100.3～514.3μmol·m-2·h-1，自近岸向遠(yuǎn)海逐漸降低；反硝化速率的范圍是101.3～731.9μmol·m-2·h-1，以長江口外和杭州灣口的兩個(gè)高值區(qū)為中心向外逐漸降低；硝化和反硝化過程有較高的耦合性，反硝化過程以與硝化作用耦合的反硝化作用為主。硝化細(xì)菌數(shù)量(以濕重計(jì))在(

5、1.87～3.53)×105cells·g-1之間，并表現(xiàn)出一定的耐鹽性，反硝化細(xì)菌數(shù)量為(3.9×105～110.0×105)cells·g-1。在硝化細(xì)菌多樣性相似度60％的高鹽度海區(qū)硝化細(xì)菌數(shù)量對硝化速率的影響率高達(dá)87.7％，是影響硝化反應(yīng)速率的主要因素。反硝化速率的決定因素是反硝化細(xì)菌數(shù)量，同時(shí)受環(huán)境中鹽度、溶解氧和氨氮含量的顯著影響。在該海域每天硝化作用轉(zhuǎn)化的無機(jī)氮通量為4.68×105kg，消耗的DO通量為6.07×104

6、mol，反硝化作用產(chǎn)生的氮通量約為8.19×105kg，表明硝化作用是影響長江口海域夏初DIN形態(tài)分布和底層DO分布的主要因素之一。 黃河口海域硝化速率的范圍是(30.3～76.5)μmol·m-2·h-1，在黃河口前方海域較高，向渤海方向和山東半島方向逐漸降低。黃河口海域反硝化速率的范圍是(3.49～19.09)μmol·m-2·h-1，在黃河口的前方海域和靠近萊州灣的海域形成一高值區(qū)，從兩個(gè)高值區(qū)向四周海域呈放射狀減少，在向

7、渤海延伸的一端形成最低值區(qū)。硝化和反硝化過程無顯著相關(guān)性。黃河口研究海域的硝化細(xì)菌數(shù)量范圍是(1.87±0.19～3.53±0.34)×104 cells·g-1(濕重)，站位間差異性不顯著，反硝化細(xì)菌數(shù)量范圍是(1.2～11.0)×103 cells·g-1。黃河口研究海域的硝化反應(yīng)速率受多個(gè)環(huán)境因子的綜合影響，硝化細(xì)菌數(shù)量的影響作用最大為72.9％，反硝化速率的主要影響因子是反硝化細(xì)菌數(shù)量，兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，研究海區(qū)內(nèi)硝化作用產(chǎn)

8、生的氮和氧通量分別為1.65×105kg·N·d-1和1.37×104mol·d-1，反硝化作用去除的氮通量為4.10×104kg·N·d-1。 英國Colne河口海域冬季反硝化速率范圍為(23.99±8.85～154.74±46.45)μmol·m-2·h-1，上游站位的速率值要明顯高于入?？冢渲旭詈系姆聪趸饔谜?2.98～96.10％。夏季潛在硝化速率范圍為3.33～8.89μmol·m-2·h-1，與反硝化速率及耦合的

9、反硝化速率沒有顯著相關(guān)性，硝化細(xì)菌數(shù)量范圍為(1.24～16.92)×106cells·g-1，Hythe和Alresford站位的硝化細(xì)菌數(shù)量逐月遞增，而Brightling站位的硝化細(xì)菌數(shù)量變化不明顯，硝化細(xì)菌的種類主要屬于β-和γ-Proteobacterium，其中β-Proteobacterium硝化細(xì)菌主要存在Nitrosomonas spp．和Nitrosospira spp．兩屬。在多樣性相似度60％時(shí)，硝化細(xì)菌數(shù)量與潛