黃海北部海域沉積物反硝化細菌數量及反硝化速率的季節變化

晨 曦,于江華,王曉東,趙陽國,王純杰

(1.中國海洋大學 海洋生命學院,山東 青島 266003; 2.中國海洋大學 環境科學與工程學院,山東 青島266100; 3.Department of Environmental Engineering,Hanseo University,Korea; 4.青島揚帆船舶制造有限公司,山東 青島 266209)

反硝化作用是全球氮循環的關鍵環節,是將陸地、水體生態系統中的沉積物、水體、土壤、植被等氮庫中氮轉化成氣態歸還到大氣圈中的主要途徑,在保持巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈氮素平衡中起著極為重要的作用[1]。反硝化過程在水體氮去除中具有投資低、效益高、便于應用、無二次污染等優點,成為富營養化水體中氮素去除的有效手段,因而對于反硝化作用的研究也越來越引起人們的重視。

反硝化作用的實質是具有反硝化功能的微生物在厭氧環境中,利用硝酸根作為電子受體,同時將其還原為氮氣的呼吸過程。具有反硝化功能的微生物并非一個獨立的分類單位,它們分散于10個不同的細菌科中[2]。由于該過程受諸多環境條件如反硝化細菌數量、溫度、鹽度、溶解氧、pH等的綜合制約,其速率的準確測定成為研究反硝化進程的關鍵[3-5]。目前較為常用的方法有15N同位素示蹤法、乙炔抑制法、氮氣通量法等。乙炔抑制法具有快速、靈敏、價格低廉等優點,因而在反硝化速率的測定中被廣泛采用[6]。

國內外對近海海域反硝化在氮循環中的作用研究相對較多[6],但對其季節變化的研究相對較少。本文選擇黃海北部海域作為研究區域,采用改進的乙炔抑制法和MPN法對該海域沉積物的反硝化速率及反硝化細菌數量進行了研究,以期為黃海北部及鄰近海域氮素循環研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 站位布設

分別于 2006年 7月、2007年 4月和 2007年10月乘東方紅 2號海洋科學考察船,在黃海北部120°59′～123°E、 37°27′～38°57′N 范圍的海區選取8個采樣站位,進行現場采樣和反硝化速率的現場模擬研究,采樣站位見圖1。

1.2 樣品采集

沉積物樣品用箱式采泥器采集表層約15 cm無擾動沉積物樣,同時用 Sea-Bird采水器采集底層海水,用于現場培養和反硝化細菌、營養鹽等環境因子測定。所有采樣器械、容器和培養裝置均經滅菌或消毒處理。

圖1 北黃海海域采樣站位Fig.1 Sampling stations in the northern Yellow Sea

1.3 現場培養

反硝化作用培養實驗采用改進的 Do-Hee Kim方法進行[7]。采集的沉積物樣和水樣迅速進行現場模擬培養實驗,培養采用有機玻璃柱進行。取上層無擾動沉積物放入柱中,緩慢加入現場采集的底層海水。實驗分別設A,B,C三組,A,B組通入乙炔氣體至飽和狀態,B組同時加入飽和HgCl2溶液以扣除非生物作用的影響,同時設非乙炔抑制對照組; C組為空白實驗對照組。每組實驗均設平行實驗組。將全部實驗裝置放在有現場海水流過的暗培養箱中培養。分別在培養開始和結束時采集水樣注入玻璃瓶中,密封低溫保存,用于氧化亞氮測定和反硝化速率計算。

1.4 樣品測定

氧化亞氮采用頂空分析法,用HP 5890Ⅱ型氣相色譜儀進行測定[1,6]。營養鹽采用德國布朗-盧比AA3型營養鹽自動分析儀進行測定。反硝化細菌的測定采用最大或然(most probable number,MPN)法進行[8]。水溫、鹽度、pH值等采用PCD6500多參數水質儀在現場測定。

1.5 反硝化速率的計算

沉積物反硝化速率通過計算N2O氣體通量獲得,計算采用王東啟等的方法進行[1,7]：

式中：F為反硝化速率[μmol/(m2·h)],H為培養柱凈高度(m),△c／△t為柱內N2O濃度隨時間的變化率[μmol/(m2·h)]。

2 結果與討論

2.1 黃海北部反硝化細菌數量的水平分布和季節變化

黃海北部春、夏、秋 3個季節沉積物反硝化細菌數量的水平分布見圖2。由圖2可以看出,該海區3個季節的反硝化細菌水平分布均表現為近岸較高、離岸逐漸減少的趨勢,在遼東半島附近海域形成明顯的高值區,其次是在山東半島附近海域的數值較高。其中S4,S7和S8站反硝化細菌數量在3個季節都顯著高于其余站位。該研究海域在 S3,S4,S7和S8站為黏土質細砂,有機質含量較高; 而在反硝化細菌數量較少的S1,S5和S6站處為細砂或粉砂,有機質含量較少。由于底質不同對沉積物吸附營養鹽的能力或細菌的附著能力有著較大的影響,因此,硝化細菌數量與營養物、有機質含量和沉積物類型有關[9]。

圖2 黃海北部不同季節反硝化細菌數量(×104,×106,×105個/g)分布Fig.2 Distributions of denitrifying bacteria(×104,×106,×105cell/g) in different seasons in the northern Yellow Sea

由圖 2還可看出,該海域反硝化細菌數量的季節差別比較大,夏季最高,秋季次之,春季較低,其范圍春、夏、秋季分別在 1.78×104～8.12×104,1.18×106～6.18×106和 0.72×105～4.50×105個/g 之間。這主要與不同季節沉積物溫度和各形態營養鹽含量不同有關,不同季節沉積物溫度對反硝化細菌具有明顯的選擇作用[10]。

2.2 反硝化速率的水平分布和季節變化

研究海域沉積物反硝化速率在夏、春、秋 3個季節的水平分布特征見圖3。由圖3可以看出,3個季節的反硝化速率水平分布趨勢基本相同,也與反硝化細菌的分布趨勢基本一致,均有近岸較高、離岸逐漸減少的趨勢,在遼東半島附近海域形成明顯的高值區,遼東半島附近海域略高于山東半島。

研究海域沉積物反硝化速率呈現出明顯的季節變化,夏季是反硝化作用的最強季節,在 3.2～7.5 μmol/(m2·h)之間,平均值為 4.85 μmol/(m2·h); 秋季略高于春季,范圍分別為 1.21～4.12和 0.26～2.65 μmol/(m2·h),平均值分別為 2.49 和 1.74 μmol/(m2·h)。這可能與反硝化細菌數量、溫度等控制反硝化作用主導因素的季節差異有關。反硝化細菌等微生物數量較多,活性較強,特別是溫度較高時,也使得反硝化作用較強[11-12]。

圖3 黃海北部不同季節反硝化速率Fig.3 Distributions of denitrification rates in different seasons in the northern Yellow Sea

2.3 反硝化速率與反硝化細菌數量的關系

通過對本研究海域反硝化速率與反硝化細菌之間的關系進行統計學分析,結果表明,春、秋兩季反硝化速率與反硝化細菌數量之間具有顯著性正相關關系,二者的相關系數分別為0.759和0.750(P＜0.05),這進一步表明反硝化細菌在該海域沉積物的反硝化過程中發揮著關鍵作用。夏季二者之間也存在正相關性,相關系數為 0.345(P＞0.05),但相關性不顯著,可能與夏季溫度較高、環境條件較為復雜有關。由于反硝化作用的其他影響因素還很多,例如溫度、溶解氧、pH、有機質含量、營養鹽濃度等,作用機理比較復雜,而且夏季沉積物反硝化速率及反硝化細菌數量受溫度影響較大[13],從而使得兩者關系弱化。

反硝化作用的實質是反硝化微生物在厭氧環境中,利用硝酸根作為電子受體,同時將其還原為氮氣的呼吸過程,因此反硝化微生物在反硝化過程中可能起著最為關鍵的作用。

2.4 黃海北部海域反硝化速率與其他海域的比較

長江口和珠江口等河口海區反硝化速率分別為21.91～35.87和 30～800 μmol/(m2·h)[6],黃海北部海域各季節的反硝化速率低于這些區域,主要與這些區域水文較高、溶解氧較低、硝酸鹽氮含量較高和鹽度較低等因素有關。

3 小結

(1)黃海北部海域沉積物反硝化作用呈現明顯的季節變化,夏季最高,在 3.2～7.5 μmol/(m2·h)之間;季節變化為夏季＞秋季＞春季。

(2)反硝化細菌數量同樣為夏季最高,在1.18×106～6.18×106個/g 之間,季節變化同樣為夏季＞秋季＞春季。

(3)春、秋兩季反硝化速率與反硝化細菌數量具有顯著相關性,相關系數分別為 0.759和0.750(P＜0.05),表明反硝化細菌是影響北黃海春、秋兩季反硝化作用的關鍵因素。

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