晨 曦,于江華,王曉東,趙陽國,王純杰

(1.中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院,山東 青島 266003; 2.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266100; 3.Department of Environmental Engineering,Hanseo University,Korea; 4.青島揚(yáng)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(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是將陸地、水體生態(tài)系統(tǒng)中的沉積物、水體、土壤、植被等氮庫中氮轉(zhuǎn)化成氣態(tài)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(yīng)用、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),成為富營養(yǎng)化水體中氮素去除的有效手段,因而對(duì)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(shí)質(zhì)是具有反硝化功能的微生物在厭氧環(huán)境中,利用硝酸根作為電子受體,同時(shí)將其還原為氮?dú)獾暮粑^程。具有反硝化功能的微生物并非一個(gè)獨(dú)立的分類單位,它們分散于10個(gè)不同的細(xì)菌科中[2]。由于該過程受諸多環(huán)境條件如反硝化細(xì)菌數(shù)量、溫度、鹽度、溶解氧、pH等的綜合制約,其速率的準(zhǔn)確測(cè)定成為研究反硝化進(jìn)程的關(guān)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?dú)馔糠ǖ取Ｒ胰惨种品ň哂锌焖?、靈敏、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因而在反硝化速率的測(cè)定中被廣泛采用[6]。

國內(nèi)外對(duì)近海海域反硝化在氮循環(huán)中的作用研究相對(duì)較多[6],但對(duì)其季節(jié)變化的研究相對(duì)較少。本文選擇黃海北部海域作為研究區(qū)域,采用改進(jìn)的乙炔抑制法和MPN法對(duì)該海域沉積物的反硝化速率及反硝化細(xì)菌數(shù)量進(jìn)行了研究,以期為黃海北部及鄰近海域氮素循環(huán)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 站位布設(shè)

分別于 2006年 7月、2007年 4月和 2007年10月乘東方紅 2號(hào)海洋科學(xué)考察船,在黃海北部120°59′～123°E、 37°27′～38°57′N 范圍的海區(qū)選取8個(gè)采樣站位,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣和反硝化速率的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)沉積物樣,同時(shí)用 Sea-Bird采水器采集底層海水,用于現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)和反硝化細(xì)菌、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子測(cè)定。所有采樣器械、容器和培養(yǎng)裝置均經(jīng)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(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)

反硝化作用培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的 Do-Hee Kim方法進(jìn)行[7]。采集的沉積物樣和水樣迅速進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)采用有機(jī)玻璃柱進(jìn)行。取上層無擾動(dòng)沉積物放入柱中,緩慢加入現(xiàn)場(chǎng)采集的底層海水。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)A,B,C三組,A,B組通入乙炔氣體至飽和狀態(tài),B組同時(shí)加入飽和HgCl2溶液以扣除非生物作用的影響,同時(shí)設(shè)非乙炔抑制對(duì)照組; C組為空白實(shí)驗(yàn)對(duì)照組。每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)平行實(shí)驗(yàn)組。將全部實(shí)驗(yàn)裝置放在有現(xiàn)場(chǎng)海水流過的暗培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)開始和結(jié)束時(shí)采集水樣注入玻璃瓶中,密封低溫保存,用于氧化亞氮測(cè)定和反硝化速率計(jì)算。

1.4 樣品測(cè)定

氧化亞氮采用頂空分析法,用HP 5890Ⅱ型氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定[1,6]。營養(yǎng)鹽采用德國布朗-盧比AA3型營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定。反硝化細(xì)菌的測(cè)定采用最大或然(most probable number,MPN)法進(jìn)行[8]。水溫、鹽度、pH值等采用PCD6500多參數(shù)水質(zhì)儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。

1.5 反硝化速率的計(jì)算

沉積物反硝化速率通過計(jì)算N2O氣體通量獲得,計(jì)算采用王東啟等的方法進(jìn)行[1,7]：

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

2 結(jié)果與討論

2.1 黃海北部反硝化細(xì)菌數(shù)量的水平分布和季節(jié)變化

黃海北部春、夏、秋 3個(gè)季節(jié)沉積物反硝化細(xì)菌數(shù)量的水平分布見圖2。由圖2可以看出,該海區(qū)3個(gè)季節(jié)的反硝化細(xì)菌水平分布均表現(xiàn)為近岸較高、離岸逐漸減少的趨勢(shì),在遼東半島附近海域形成明顯的高值區(qū),其次是在山東半島附近海域的數(shù)值較高。其中S4,S7和S8站反硝化細(xì)菌數(shù)量在3個(gè)季節(jié)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(zhì)細(xì)砂,有機(jī)質(zhì)含量較高; 而在反硝化細(xì)菌數(shù)量較少的S1,S5和S6站處為細(xì)砂或粉砂,有機(jī)質(zhì)含量較少。由于底質(zhì)不同對(duì)沉積物吸附營養(yǎng)鹽的能力或細(xì)菌的附著能力有著較大的影響,因此,硝化細(xì)菌數(shù)量與營養(yǎng)物、有機(jī)質(zhì)含量和沉積物類型有關(guān)[9]。

圖2 黃海北部不同季節(jié)反硝化細(xì)菌數(shù)量(×104,×106,×105個(gè)/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(xì)菌數(shù)量的季節(jié)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(gè)/g 之間。這主要與不同季節(jié)沉積物溫度和各形態(tài)營養(yǎng)鹽含量不同有關(guān),不同季節(jié)沉積物溫度對(duì)反硝化細(xì)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(jié)變化

研究海域沉積物反硝化速率在夏、春、秋 3個(gè)季節(jié)的水平分布特征見圖3。由圖3可以看出,3個(gè)季節(jié)的反硝化速率水平分布趨勢(shì)基本相同,也與反硝化細(xì)菌的分布趨勢(shì)基本一致,均有近岸較高、離岸逐漸減少的趨勢(shì),在遼東半島附近海域形成明顯的高值區(qū),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(xiàn)出明顯的季節(jié)變化,夏季是反硝化作用的最強(qiáng)季節(jié),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(xì)菌數(shù)量、溫度等控制反硝化作用主導(dǎo)因素的季節(jié)差異有關(guān)。反硝化細(xì)菌等微生物數(shù)量較多,活性較強(qiáng),特別是溫度較高時(shí),也使得反硝化作用較強(qiáng)[11-12]。

圖3 黃海北部不同季節(jié)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(xì)菌數(shù)量的關(guān)系

通過對(duì)本研究海域反硝化速率與反硝化細(xì)菌之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,結(jié)果表明,春、秋兩季反硝化速率與反硝化細(xì)菌數(shù)量之間具有顯著性正相關(guān)關(guān)系,二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.759和0.750(P＜0.05),這進(jìn)一步表明反硝化細(xì)菌在該海域沉積物的反硝化過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。夏季二者之間也存在正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為 0.345(P＞0.05),但相關(guān)性不顯著,可能與夏季溫度較高、環(huán)境條件較為復(fù)雜有關(guān)。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(jī)質(zhì)含量、營養(yǎng)鹽濃度等,作用機(jī)理比較復(fù)雜,而且夏季沉積物反硝化速率及反硝化細(xì)菌數(shù)量受溫度影響較大[13],從而使得兩者關(guān)系弱化。

反硝化作用的實(shí)質(zhì)是反硝化微生物在厭氧環(huán)境中,利用硝酸根作為電子受體,同時(shí)將其還原為氮?dú)獾暮粑^程,因此反硝化微生物在反硝化過程中可能起著最為關(guān)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(qū)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(jié)的反硝化速率低于這些區(qū)域,主要與這些區(qū)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(guān)。

3 小結(jié)

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

(2)反硝化細(xì)菌數(shù)量同樣為夏季最高,在1.18×106～6.18×106個(gè)/g 之間,季節(jié)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(xì)菌數(shù)量具有顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為 0.759和0.750(P＜0.05),表明反硝化細(xì)菌是影響北黃海春、秋兩季反硝化作用的關(guān)鍵因素。

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