滨海潮滩湿地脱氮过程与影响机制研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:weiba516898
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滨海湿地是海洋和陆地交汇的关键地带,具有拦截陆源物质、改善水质等重要生态功能。受海陆交互作用影响,其物理、化学和生物等因素复杂多变。滨海湿地易受人类活动干扰与破坏,常被视为典型的生态脆弱带与环境变化敏感区。活性氮增加导致滨海地区发生一系列生态环境问题。微生物介导的脱氮过程能将生物可利用的活性氮转化为氮气,对削减滨海湿地氮负荷具有重要的生态意义。微生物脱氮主要包括反硝化和厌氧氨氧化过程,而根据参与脱氮过程反应底物硝态氮的来源不同,脱氮过程可分为耦合硝化-脱氮和非耦合脱氮过程。目前,国内外对滨海湿地反硝化和厌氧氨氧化脱氮过程已经开展大量相关研究,但主要集中于某一小区域范围,对不同纬度梯度下滨海湿地脱氮过程研究较少。并且,对于不同纬度条件下滨海湿地反硝化和厌氧氨氧化与硝化过程耦合的认识也相对缺乏。在此背景下,本文基于柱培养实验结合同位素示踪技术对我国不同纬度梯度下滨海湿地沉积物-水界面反硝化和厌氧氨氧化过程及其与硝化的耦合作用进行研究,并采用高通量测序技术和实时定量PCR技术揭示脱氮微生物群落组成、分布和丰度等特征。此外,进一步以长江口为典型研究区,结合野外和室内控制实验,探讨滨海湿地脱氮过程对盐度变化的响应。本研究可加强对滨海潮滩湿地环境脱氮过程及其影响机制的理解与认识,为滨海环境保护提供基础数据支持。取得的主要研究结果如下:(1)我国滨海湿地沉积物-水界面铵态氮、硝态氮和亚硝态氮通量变化范围分别介于-142.21-37.10μmol m-2 h-1、-302.21-148.45μmol m-2 h-1和-48.21-20.54μmol m-2 h-1,其中,硝态氮通量变化最大,而亚硝态氮通量变化最小。沿纬度梯度,铵态氮和硝态氮通量具有显著的时空差异。沉积物-水界面无机氮的迁移特征表明,我国滨海湿地沉积物总体上表现为无机氮的汇,对于削减上覆水无机氮含量具有重要作用。(2)我国滨海湿地反硝化速率变化范围为3.36-60.93μmol N m-2 h-1,厌氧氨氧化速率介于0.73-12.01μmol N m-2 h-1。反硝化在脱氮过程中起主导作用,而厌氧氨氧化对氮素去除也具有实质性贡献(占脱氮比例为9.4-43.6%)。反硝化和厌氧氨氧化速率的空间变化特征,总体表现为富营养化较严重的采样站位脱氮过程速率较高。厌氧氨氧化占总脱氮比例随纬度升高有增加趋势。反硝化主要受水体盐度、硝态氮浓度和沉积物铵态氮含量影响,而厌氧氨氧化主要受水体铵态氮、硝态氮浓度和沉积物铵态氮、亚硝态氮含量影响。总的来说,水体和沉积物氮的可利用性是影响我国滨海湿地脱氮速率的关键因素。(3)我国滨海湿地耦合硝化-脱氮和非耦合脱氮速率变化范围分别在1.98-14.93μmol N m-2 h-1和1.68-67.12μmol N m-2 h-1之间。总体而言,非耦合脱氮在总脱氮中的贡献要高于耦合硝化-脱氮,尤其是在珠江口和长江口等富营养化较为严重的采样站位(非耦合脱氮在总脱氮中的贡献可达70%以上)。非耦合脱氮速率及其对总脱氮量的贡献主要受水体盐度、硝态氮浓度、铵态氮浓度和沉积物二价铁含量的影响。(4)我国滨海湿地反硝化nir S基因序列绝大多数隶属于变形菌门(99.30%)。其中,β-变形菌门(β-Proteobacteria)的占比最大(78.17%),其次是γ-变形菌门(γ-Proteobacteria)和α-变形菌门(α-Proteobacteria),占比分别为16.97%和4.16%;其余已知序列隶属于厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria),占比分别是0.66%和0.04%。主坐标分析结果表明,我国滨海湿地反硝化微生物群落组成空间差异明显。反硝化微生物菌群结构和分布主要受水体p H、硝态氮浓度和沉积物二价铁含量影响。大多数厌氧氨氧化hzo基因序列隶属于未分类的厌氧氨氧化细菌,且厌氧氨氧化细菌群落组成和分布也具有明显的空间差异。此外,测定的理化因素与厌氧氨氧化细菌群落组成均无显著相关关系,表明厌氧氨氧化细菌群落组成和分布可能受多个环境因子的综合影响。(5)我国滨海湿地反硝化nir S基因和厌氧氨氧化hzo基因丰度分别为8.81×107-2.08×109 copies g-1和5.40×106-2.83×108 copies g-1。整体而言,反硝化nir S基因丰度显著高于厌氧氨氧化hzo基因丰度。反硝化nir S基因和厌氧氨氧化hzo基因丰度分别与反硝化和厌氧氨氧化速率具有显著相关关系,表明nir S和hzo基因丰度在调控反硝化和厌氧氨氧化脱氮过程速率也具有重要作用。(6)长江口盐度梯度下,反硝化速率介于0.69-85.03μmol N m-2 h-1,而厌氧氨氧化速率在0.19-7.87μmol N m-2 h-1之间。随盐度升高,反硝化和厌氧氨氧化活性总体上呈现降低的趋势。反硝化主要受水体盐度、硝态氮和亚硝态氮浓度以及沉积物二价铁、三价铁和有机碳含量等影响,而厌氧氨氧化主要受水体盐度和亚硝态氮浓度以及沉积物二价铁和有机碳含量影响。反硝化在脱氮过程中起主导作用,其贡献整体高达85%以上,但厌氧氨氧化在活性氮素去除过程中也发挥重要作用。盐度控制实验表明,淡水区盐度升高总体上促进了反硝化和厌氧氨氧化过程速率,但在咸水区,盐度升高对反硝化和厌氧氨氧化过程速率无显著影响。
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