Denitrification, anammox, and DNRA in oligotrophic continental shelf sediments  

寡營(yíng)養(yǎng)大陸架沉積物中的反硝化、厭氧氨氧化和DNRA  

來(lái)源：Limnology and Oceanography

湖沼學(xué)與海洋學(xué)

 

摘要內(nèi)容  

該研究聚焦新西蘭東北部寡營(yíng)養(yǎng)大陸架沉積物的氮循環(huán)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)反硝化是主要氮去除途徑（65–284 μmol N m?2 d?1），厭氧氨氧化貢獻(xiàn)較?。?–19%），DNRA幾乎可忽略。研究結(jié)合微生物群落分析，發(fā)現(xiàn)變形菌門(mén)（Proteobacteria）和浮霉菌門(mén)（Planctomycetota）是驅(qū)動(dòng)反硝化的關(guān)鍵類(lèi)群，反硝化速率與氧滲透深度負(fù)相關(guān)，與宏體動(dòng)物豐度正相關(guān)。全球數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，傳統(tǒng)高估了大陸架脫氮作用（原估20%海洋脫氮，修正為53.5±8.1 Tg N yr?1），主因采樣偏向北半球富營(yíng)養(yǎng)化區(qū)域。  

 

研究目的  

量化寡營(yíng)養(yǎng)大陸架沉積物中氮循環(huán)過(guò)程（反硝化、厭氧氨氧化、DNRA）的速率。  

 

解析氮循環(huán)的微生物驅(qū)動(dòng)因子及環(huán)境調(diào)控機(jī)制。  

 

重新評(píng)估全球大陸架沉積物的脫氮貢獻(xiàn)，揭示采樣偏差對(duì)估算的影響。  

 

研究思路  

野外采樣：在新西蘭東北部大陸架7個(gè)站點(diǎn)采集沉積物和水樣，覆蓋30–128米深度梯度。  

 

實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)：使用修訂同位素配對(duì)技術(shù)（r-IPT）測(cè)定反硝化、厭氧氨氧化和DNRA速率。  

 

微剖面分析：使用丹麥Unisense微電極測(cè)量沉積物O?和NOx?剖面，計(jì)算氧滲透深度（OPD）和擴(kuò)散速率。  

 

微生物分析：16S rRNA測(cè)序揭示微生物群落組成。  

 

環(huán)境參數(shù)：測(cè)定孔隙度、葉綠素a、C/N比、宏體動(dòng)物豐度等。  

 

數(shù)據(jù)整合：結(jié)合全球已發(fā)表數(shù)據(jù)，重新估算大陸架脫氮通量。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及來(lái)源  

反硝化、厭氧氨氧化、DNRA速率（圖3a, 3b, 3c；表2）：通過(guò)r-IPT和缺氧泥漿培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。  

 

 

 

微生物群落組成（圖5a, 5b）：16S rRNA測(cè)序揭示優(yōu)勢(shì)菌群。  

 

 

O?和NOx?微剖面（圖2）：Unisense微電極測(cè)定，計(jì)算OPD和DOU（擴(kuò)散氧吸收）。  

 

 

環(huán)境參數(shù)（表1）：包括溫度、鹽度、營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、C/N比、孔隙度等。  

 

 

數(shù)據(jù)的研究意義  

反硝化速率與OPD負(fù)相關(guān)（圖4a）：表明有機(jī)質(zhì)質(zhì)量（通過(guò)OPD反映）是反硝化的關(guān)鍵調(diào)控因子。  

 

 

宏體動(dòng)物豐度促進(jìn)反硝化（圖4c）：揭示生物擾動(dòng)通過(guò)改變氧化還原條件增強(qiáng)氮去除。  

 

微生物群落特征（圖5）：變形菌門(mén)和浮霉菌門(mén)主導(dǎo)，關(guān)聯(lián)反硝化功能基因分布。  

 

全球?qū)Ρ龋▓D6, 7）：修正傳統(tǒng)高估，強(qiáng)調(diào)南半球寡營(yíng)養(yǎng)區(qū)數(shù)據(jù)缺失對(duì)全球評(píng)估的影響。  

 

 

 

結(jié)論  

反硝化是寡營(yíng)養(yǎng)大陸架主要氮去除途徑，厭氧氨氧化貢獻(xiàn)低，DNRA不顯著。  

 

沉積物氧滲透深度（OPD）和宏體動(dòng)物豐度是反硝化的核心調(diào)控因子。  

 

全球大陸架脫氮速率（53.5 Tg N yr?1）僅為海洋總脫氮的20%，需重視南半球數(shù)據(jù)缺失。  

 

氣候變化可能減少寡營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)氮去除能力，增加氮滯留風(fēng)險(xiǎn)。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的意義  

使用Unisense微電極測(cè)量的O?和NOx?微剖面（圖2）關(guān)鍵作用如下：  

 

氧滲透深度（OPD）：直接反映沉積物氧化層厚度，淺OPD指示高有機(jī)質(zhì)活性，促進(jìn)反硝化（因缺氧區(qū)更接近表層）。  

 

擴(kuò)散氧吸收（DOU）：結(jié)合孔隙度和濃度梯度計(jì)算，量化沉積物-水界面氧交換，關(guān)聯(lián)總氧消耗（TOU）與生物擾動(dòng)強(qiáng)度（TOU/DOU比）。  

 

NOx?分布：揭示硝化-反硝化耦合程度，例如S6站點(diǎn)的NOx?峰出現(xiàn)在O?未耗盡的區(qū)域（3 mm深度），表明硝化作用活躍并為反硝化提供底物。  

 

這些數(shù)據(jù)為解析氮循環(huán)的氧化還原驅(qū)動(dòng)機(jī)制提供了高分辨率空間信息，是理解反硝化與有機(jī)質(zhì)礦化、微生物活動(dòng)耦合的關(guān)鍵依據(jù)。