黄海北部海域沉积物反硝化细菌数量及反硝化速率的季节变化

晨 曦,于江华,王晓东,赵阳国,王纯杰

(1.中国海洋大学 海洋生命学院,山东 青岛 266003; 2.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛266100; 3.Department of Environmental Engineering,Hanseo University,Korea; 4.青岛扬帆船舶制造有限公司,山东 青岛 266209)

反硝化作用是全球氮循环的关键环节,是将陆地、水体生态系统中的沉积物、水体、土壤、植被等氮库中氮转化成气态归还到大气圈中的主要途径,在保持岩石圈、水圈、生物圈和大气圈氮素平衡中起着极为重要的作用[1]。反硝化过程在水体氮去除中具有投资低、效益高、便于应用、无二次污染等优点,成为富营养化水体中氮素去除的有效手段,因而对于反硝化作用的研究也越来越引起人们的重视。

反硝化作用的实质是具有反硝化功能的微生物在厌氧环境中,利用硝酸根作为电子受体,同时将其还原为氮气的呼吸过程。具有反硝化功能的微生物并非一个独立的分类单位,它们分散于10个不同的细菌科中[2]。由于该过程受诸多环境条件如反硝化细菌数量、温度、盐度、溶解氧、pH等的综合制约,其速率的准确测定成为研究反硝化进程的关键[3-5]。目前较为常用的方法有15N同位素示踪法、乙炔抑制法、氮气通量法等。乙炔抑制法具有快速、灵敏、价格低廉等优点,因而在反硝化速率的测定中被广泛采用[6]。

国内外对近海海域反硝化在氮循环中的作用研究相对较多[6],但对其季节变化的研究相对较少。本文选择黄海北部海域作为研究区域,采用改进的乙炔抑制法和MPN法对该海域沉积物的反硝化速率及反硝化细菌数量进行了研究,以期为黄海北部及邻近海域氮素循环研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 站位布设

分别于 2006年 7月、2007年 4月和 2007年10月乘东方红 2号海洋科学考察船,在黄海北部120°59′～123°E、 37°27′～38°57′N 范围的海区选取8个采样站位,进行现场采样和反硝化速率的现场模拟研究,采样站位见图1。

1.2 样品采集

沉积物样品用箱式采泥器采集表层约15 cm无扰动沉积物样,同时用 Sea-Bird采水器采集底层海水,用于现场培养和反硝化细菌、营养盐等环境因子测定。所有采样器械、容器和培养装置均经灭菌或消毒处理。

图1 北黄海海域采样站位Fig.1 Sampling stations in the northern Yellow Sea

1.3 现场培养

反硝化作用培养实验采用改进的 Do-Hee Kim方法进行[7]。采集的沉积物样和水样迅速进行现场模拟培养实验,培养采用有机玻璃柱进行。取上层无扰动沉积物放入柱中,缓慢加入现场采集的底层海水。实验分别设A,B,C三组,A,B组通入乙炔气体至饱和状态,B组同时加入饱和HgCl2溶液以扣除非生物作用的影响,同时设非乙炔抑制对照组; C组为空白实验对照组。每组实验均设平行实验组。将全部实验装置放在有现场海水流过的暗培养箱中培养。分别在培养开始和结束时采集水样注入玻璃瓶中,密封低温保存,用于氧化亚氮测定和反硝化速率计算。

1.4 样品测定

氧化亚氮采用顶空分析法,用HP 5890Ⅱ型气相色谱仪进行测定[1,6]。营养盐采用德国布朗-卢比AA3型营养盐自动分析仪进行测定。反硝化细菌的测定采用最大或然(most probable number,MPN)法进行[8]。水温、盐度、pH值等采用PCD6500多参数水质仪在现场测定。

1.5 反硝化速率的计算

沉积物反硝化速率通过计算N2O气体通量获得,计算采用王东启等的方法进行[1,7]：

式中：F为反硝化速率[µmol/(m2·h)],H为培养柱净高度(m),△c／△t为柱内N2O浓度随时间的变化率[µmol/(m2·h)]。

2 结果与讨论

2.1 黄海北部反硝化细菌数量的水平分布和季节变化

黄海北部春、夏、秋 3个季节沉积物反硝化细菌数量的水平分布见图2。由图2可以看出,该海区3个季节的反硝化细菌水平分布均表现为近岸较高、离岸逐渐减少的趋势,在辽东半岛附近海域形成明显的高值区,其次是在山东半岛附近海域的数值较高。其中S4,S7和S8站反硝化细菌数量在3个季节都显著高于其余站位。该研究海域在 S3,S4,S7和S8站为黏土质细砂,有机质含量较高; 而在反硝化细菌数量较少的S1,S5和S6站处为细砂或粉砂,有机质含量较少。由于底质不同对沉积物吸附营养盐的能力或细菌的附着能力有着较大的影响,因此,硝化细菌数量与营养物、有机质含量和沉积物类型有关[9]。

图2 黄海北部不同季节反硝化细菌数量(×104,×106,×105个/g)分布Fig.2 Distributions of denitrifying bacteria(×104,×106,×105cell/g) in different seasons in the northern Yellow Sea

由图 2还可看出,该海域反硝化细菌数量的季节差别比较大,夏季最高,秋季次之,春季较低,其范围春、夏、秋季分别在 1.78×104～8.12×104,1.18×106～6.18×106和 0.72×105～4.50×105个/g 之间。这主要与不同季节沉积物温度和各形态营养盐含量不同有关,不同季节沉积物温度对反硝化细菌具有明显的选择作用[10]。

2.2 反硝化速率的水平分布和季节变化

研究海域沉积物反硝化速率在夏、春、秋 3个季节的水平分布特征见图3。由图3可以看出,3个季节的反硝化速率水平分布趋势基本相同,也与反硝化细菌的分布趋势基本一致,均有近岸较高、离岸逐渐减少的趋势,在辽东半岛附近海域形成明显的高值区,辽东半岛附近海域略高于山东半岛。

研究海域沉积物反硝化速率呈现出明显的季节变化,夏季是反硝化作用的最强季节,在 3.2～7.5 µmol/(m2·h)之间,平均值为 4.85 µmol/(m2·h); 秋季略高于春季,范围分别为 1.21～4.12和 0.26～2.65 µmol/(m2·h),平均值分别为 2.49 和 1.74 µmol/(m2·h)。这可能与反硝化细菌数量、温度等控制反硝化作用主导因素的季节差异有关。反硝化细菌等微生物数量较多,活性较强,特别是温度较高时,也使得反硝化作用较强[11-12]。

图3 黄海北部不同季节反硝化速率Fig.3 Distributions of denitrification rates in different seasons in the northern Yellow Sea

2.3 反硝化速率与反硝化细菌数量的关系

通过对本研究海域反硝化速率与反硝化细菌之间的关系进行统计学分析,结果表明,春、秋两季反硝化速率与反硝化细菌数量之间具有显著性正相关关系,二者的相关系数分别为0.759和0.750(P＜0.05),这进一步表明反硝化细菌在该海域沉积物的反硝化过程中发挥着关键作用。夏季二者之间也存在正相关性,相关系数为 0.345(P＞0.05),但相关性不显著,可能与夏季温度较高、环境条件较为复杂有关。由于反硝化作用的其他影响因素还很多,例如温度、溶解氧、pH、有机质含量、营养盐浓度等,作用机理比较复杂,而且夏季沉积物反硝化速率及反硝化细菌数量受温度影响较大[13],从而使得两者关系弱化。

反硝化作用的实质是反硝化微生物在厌氧环境中,利用硝酸根作为电子受体,同时将其还原为氮气的呼吸过程,因此反硝化微生物在反硝化过程中可能起着最为关键的作用。

2.4 黄海北部海域反硝化速率与其他海域的比较

长江口和珠江口等河口海区反硝化速率分别为21.91～35.87和 30～800 µmol/(m2·h)[6],黄海北部海域各季节的反硝化速率低于这些区域,主要与这些区域水文较高、溶解氧较低、硝酸盐氮含量较高和盐度较低等因素有关。

3 小结

(1)黄海北部海域沉积物反硝化作用呈现明显的季节变化,夏季最高,在 3.2～7.5 µmol/(m2·h)之间;季节变化为夏季＞秋季＞春季。

(2)反硝化细菌数量同样为夏季最高,在1.18×106～6.18×106个/g 之间,季节变化同样为夏季＞秋季＞春季。

(3)春、秋两季反硝化速率与反硝化细菌数量具有显著相关性,相关系数分别为 0.759和0.750(P＜0.05),表明反硝化细菌是影响北黄海春、秋两季反硝化作用的关键因素。

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