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典型河口区沉积物的硝化和反硝化过程

李佳霖  
【摘要】: 仅在过去四十年,人类通过陆源输入向海洋排放的氮量就增加了一倍。氮输入量的增加导致了海洋严重的人为富营养化,造成海水透明度下降、耗氧量增加甚至威胁到人类健康和经济发展。硝化反应将NH4﹢经NO2﹣氧化为NO3﹣,是氮循环中连接生物固氮和厌氧反硝化作用的重要环节;同时还会消耗水体和沉积物中大量的氧气,导致陆架海域低氧甚至缺氧区的形成。反硝化作用把NO2﹣氧化为NO3﹣转化为气态的N2O或N2,对于缓解海水的富营养化、估算氮循环通量研究全球气候变化都具有重要的意义。因此,硝化和反硝化过程及其对环境因子变化(如气候变暖、难降解有机物污染及氮富营养化)的响应成为海洋环境科学中的一个重要的研究课题。 已有的研究表明,温度、盐度、溶解氧和NH4﹢含量等环境变量是影响硝化和反硝化速率的主要环境因子,而通过氨单加氧酶(amo)实现NH4﹢至NO2﹣转化的自养氨氧化细菌活性是硝化反应的限速因子。以DNA序列技术为基础的分子生物学实验手段可以实现对硝化细菌的特异性染色或扩增,进而不经过培养就能够对硝化细菌的数量和群落结构进行分析。反硝化细菌群落较复杂,难以采用分子生物学技术,但以传统的培养方法仍可以估算其数量及分布的趋势。尽管如此,关于硝化和反硝化过程、环境因子及细菌群落特征关系的系统性研究还极少。本论文选取长江口、黄河口以及英国的Colne河口区作为研究海域,测定了表层沉积物的硝化和反硝化速率,硝化和反硝化细菌数量的分布;与环境因子的相关性进行分析,讨论了硝化和反硝化作用的主要控制因子,为探讨环境因子的变化对硝化和反硝化过程的影响提供了理论依据;通过计算硝化和反硝化过程产生的N、O通量说明其重要的环境效应。 长江口夏初的硝化反应速率范围为100.3~514.3μmol·m-2·h-1,自近岸向远海逐渐降低;反硝化速率的范围是101.3~731.9μmol·m-2·h-1,以长江口外和杭州湾口的两个高值区为中心向外逐渐降低;硝化和反硝化过程有较高的耦合性,反硝化过程以与硝化作用耦合的反硝化作用为主。硝化细菌数量(以湿重计)在(1.87~3.53)×105cells·g-1之间,并表现出一定的耐盐性,反硝化细菌数量为(3.9×105~110.0×105) cells·g-1。在硝化细菌多样性相似度60%的高盐度海区硝化细菌数量对硝化速率的影响率高达87.7%,是影响硝化反应速率的主要因素。反硝化速率的决定因素是反硝化细菌数量,同时受环境中盐度、溶解氧和氨氮含量的显著影响。在该海域每天硝化作用转化的无机氮通量为4.68×105 kg,消耗的DO通量为6.07×104 mol,反硝化作用产生的氮通量约为8.19×105 kg,表明硝化作用是影响长江口海域夏初DIN形态分布和底层DO分布的主要因素之一。 黄河口海域硝化速率的范围是(30.3~76.5)μmol·m-2·h-1,在黄河口前方海域较高,向渤海方向和山东半岛方向逐渐降低。黄河口海域反硝化速率的范围是(3.49~19.09)μmol·m-2·h-1,在黄河口的前方海域和靠近莱州湾的海域形成一高值区,从两个高值区向四周海域呈放射状减少,在向渤海延伸的一端形成最低值区。硝化和反硝化过程无显著相关性。黄河口研究海域的硝化细菌数量范围是(1.87±0.19~3.53±0.34)×104 cells·g-1(湿重),站位间差异性不显著,反硝化细菌数量范围是(1.2~11.0)×103 cells·g-1。黄河口研究海域的硝化反应速率受多个环境因子的综合影响,硝化细菌数量的影响作用最大为72.9%,反硝化速率的主要影响因子是反硝化细菌数量,两者呈显著正相关关系,研究海区内硝化作用产生的氮和氧通量分别为1.65×105kg·N·d-1和1.37×104mol·d-1,反硝化作用去除的氮通量为4.10×104kg·N·d-1。 英国Colne河口海域冬季反硝化速率范围为(23.99±8.85~154.74±46.45)μmol·m-2·h-1,上游站位的速率值要明显高于入海口,其中耦合的反硝化作用占52.98~96.10%。夏季潜在硝化速率范围为3.33~8.89μmol·m-2·h-1,与反硝化速率及耦合的反硝化速率没有显著相关性,硝化细菌数量范围为(1.24~16.92)×106 cells·g-1,Hythe和Alresford站位的硝化细菌数量逐月递增,而Brightling站位的硝化细菌数量变化不明显,硝化细菌的种类主要属于β-和γ-Proteobacterium,其中β- Proteobacterium硝化细菌主要存在Nitrosomonas spp.和Nitrosospira spp.两属。在多样性相似度60%时,硝化细菌数量与潜在硝化反应速率呈现一定的相关性。


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