Spatial and seasonal pattern of microbial nitrate reduction in coastal sediments in the Vistula River plume area, Gulf of Gdansk  

維斯瓦河羽流區(qū)（格但斯克灣）沿岸沉積物中微生物硝酸鹽還原的空間和季節(jié)模式  

來源：Frontiers in Marine Science  

《海洋科學(xué)前沿》  

 

摘要內(nèi)容  

 

研究在波羅的海南部格但斯克灣的維斯瓦河羽流區(qū)，通過春季（低溫高硝酸鹽）和夏季（高溫低硝酸鹽）的原位沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，揭示了微生物硝酸鹽還原過程（反硝化和異化硝酸鹽還原為銨DNRA）的時(shí)空變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：  

反硝化速率隨深度增加，夏季顯著高于春季，主要依賴沉積物內(nèi)部硝化作用產(chǎn)生的硝酸鹽（Dn占比>80%）  

DNRA僅在夏季顯著增加，最高貢獻(xiàn)率達(dá)37%（站點(diǎn)V10）  

沉積物整體氮去除效率低（<40%），但在高濃度硝酸鹽輸入時(shí)具有高達(dá)400 μmol/m2/h的反硝化潛力  

 

 

研究目的  

 

評(píng)估波羅的海沿岸沉積物在不同季節(jié)對(duì)陸地氮輸入的緩沖能力，揭示溫度、硝酸鹽負(fù)荷和沉積物特性對(duì)氮去除（反硝化）與氮循環(huán)（DNRA）的調(diào)控機(jī)制，預(yù)測(cè)氣候變化下極端水文事件對(duì)海岸帶氮循環(huán)的影響。  

 

研究思路  

 

(1) 梯度設(shè)計(jì)：沿維斯瓦河口外海選擇4個(gè)深度梯度站點(diǎn)（5-24米），形成沉積物有機(jī)質(zhì)梯度  

(2) 季節(jié)對(duì)比：在春季高流量/低溫（4°C）和夏季低流量/高溫（18°C）進(jìn)行采樣  

(3) 過程量化：  

使用完整沉積物柱進(jìn)行暗培養(yǎng)，測(cè)量溶質(zhì)通量（O?、NH??、NOx）  

 

1?N同位素配對(duì)技術(shù)測(cè)定反硝化和DNRA速率  

 

硝酸鹽濃度梯度實(shí)驗(yàn)（10-2000 μM）評(píng)估過程飽和特征  

 

(4) 環(huán)境關(guān)聯(lián)：分析沉積物特性（有機(jī)質(zhì)、C/N比）、大型底棲動(dòng)物組成與氮過程的聯(lián)系  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（數(shù)據(jù)來源）  

 

(1) 沉積物特性（表2）：  

 

 

有機(jī)質(zhì)含量（0.28%-2.05%）、孔隙度（0.27-0.52）、C/N比（6.95-9.87）  

 

意義：解釋反硝化空間差異，顯示深層站點(diǎn)更有利于氮去除  

 

(2) 溶質(zhì)通量（圖3）：  

 

氧氣消耗速率：夏季（-3345 μmol/m2/h）比春季（-447 μmol/m2/h）高7倍  

 

NH??通量：夏季最高達(dá)452 μmol/m2/h（站點(diǎn)V10）  

 

硝化作用主導(dǎo)的NOx通量：夏季（93 μmol/m2/h）>春季（37 μmol/m2/h）  

 

(3) 微生物過程速率（圖4）：  

 

反硝化總量：夏季（35 μmol/m2/h）>春季（10 μmol/m2/h）  

 

DNRA：夏季最高14.9 μmol/m2/h（站點(diǎn)V10）  

 

(4) 硝酸鹽響應(yīng)實(shí)驗(yàn)（圖5）：  

 

最大反硝化潛力Vmax達(dá)688 μmol/m2/h（站點(diǎn)V18）  

 

半飽和濃度Km為306-859 μM  

 

結(jié)論  

 

(1) 溫度是核心調(diào)控因子：夏季升溫促進(jìn)沉積物耗氧，縮短硝酸鹽擴(kuò)散路徑，激活深層反硝化  

(2) 硝化-反硝化耦合主導(dǎo)：80%以上反硝化依賴沉積物內(nèi)部硝化作用產(chǎn)生硝酸鹽  

(3) 沉積物氮緩沖能力弱：原位條件下僅16-38%的無機(jī)氮被永久去除，大部分通過NH??和NOx再循環(huán)  

(4) 極端事件響應(yīng)潛力：沉積物對(duì)短期高濃度硝酸鹽輸入（>300 μM）具有高反硝化容量，但春季低溫限制該潛力表達(dá)  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

通過OX-100微電極測(cè)量沉積物-水界面氧通量（圖3A），實(shí)現(xiàn)了：  

(1) 量化沉積物耗氧速率：作為有機(jī)質(zhì)礦化強(qiáng)度的核心指標(biāo)，解釋溫度對(duì)微生物活性的影響（夏季耗氧速率比春季高10倍）  

(2) 計(jì)算理論氨化率：將耗氧量轉(zhuǎn)換為碳氧化速率，再結(jié)合C/N比推算沉積物氨化潛力，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)NH??通量僅占理論值的53-100%，揭示硝化作用對(duì)銨的消耗  

(3) 反推氧化層厚度：結(jié)合Fick擴(kuò)散定律，估算出春季淺層站點(diǎn)（V05）氧化層厚度達(dá)10.3mm，而夏季深層站點(diǎn)（V24）僅2.3mm，直接影響硝酸鹽的擴(kuò)散路徑和反硝化發(fā)生位點(diǎn)  

(4) 過程耦合分析：氧動(dòng)態(tài)決定硝化/反硝化的空間分離程度，夏季薄氧化層促進(jìn)硝化產(chǎn)物（NOx）向下方缺氧區(qū)的輸送，增強(qiáng)Dn過程