滨海潮滩湿地脱氮过程与影响机制研究

作者:常永凯
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滨海湿地是海陆交汇的关键地区。它具有重要的生态功能,如拦截陆源的物质和改善水质。受海陆相互作用的影响,其物理、化学和生物因素复杂多变。高山地区通常被认为对人类活动和环境变化敏感。活性氮的增加导致滨海地区发生了一系列变化。微生物介导的反硝化过程可以将生物有效的活性氮转化为氮,这对降低滨海湿地的氮负荷具有重要的生态学意义。微生物脱氮主要包括反硝化和厌氧氨氧化过程。根据反硝化过程中反应底物来源的不同,反硝化过程可分为耦合硝化反硝化过程和非耦合反硝化过程。目前,国内外对滨海湿地反硝化和厌氧氨氧化反硝化进行了大量相关研究,但主要集中在小范围内,对不同纬度梯度下滨海湿地反硝化的研究较少。此外,人们对滨海湿地的反硝化作用以及厌氧氨氧化与不同纬度硝化过程之间的耦合相对缺乏了解。在这种背景下,本文基于柱培养实验和同位素示踪技术,研究了滨海湿地沉积物-水界面的反硝化和厌氧氨氧化过程及其与硝化作用在中国不同纬度梯度下的耦合作用,揭示了其组成,利用高通量测序技术和实时定量PCR技术研究了反硝化细菌的分布和丰度。此外,以长江口为典型研究区域,结合现场和室内控制实验,探讨了滨海湿地脱氮工艺对盐度变化的响应。本研究可以加深对滨海潮滩勒巴农湿地环境反硝化过程及其影响机理的理解,为环境保护提供基础数据支持。主要结果如下:(1)中国滨海湿地沉积物-水界面铵态氮、硝态氮和亚硝态氮的通量变化范围为-142.21-37.10mol m-2h-1,-302。分别为21-148.45mol m-2h-1和-48.21-20.54mol m-2h-1。其中,硝态氮的通量变化最大,亚硝态氮的通量变化最小。沿纬度梯度,铵态氮和硝态氮的卡通数量存在显著的时空差异。沉积物-水界面无机氮的迁移特征表明,中国滨海湿地沉积物总体上是无机氮的汇,对降低上覆水的无机氮含量起着重要作用。(2) 在中国,反硝化速率在n-1.73-2.36m·mol·h范围内。反硝化作用在脱氮中起主导作用,厌氧氨氧化也对脱氮做出了重大贡献(占脱氮量的9.4-43.6%)。反硝化速率和厌氧氨氧化速率的空间变异特征表明,富营养化较严重采样站的反硝化过程速率较高。随着纬度的增加,厌氧氨氧化在总氮去除中的比例有增加的趋势。反硝化作用主要受海水盐度、硝态氮浓度和沉积物铵态氮含量的影响,而厌氧氨氧化主要受铵态氮、硝态氮浓度、沉积物铵态氮和亚硝态氮含量的影响。总的来说,水和沉积物中氮的可用性是影响滨海湿地脱氮率的关键因素。(3) 中国滨海湿地耦合硝化反硝化和非耦合反硝化速率的变化范围分别为1.98-14.93 mol n m-2 H-1和1.68-67.12 mol n m-2 H-1。总体而言,非耦合反硝化对总反硝化的贡献高于耦合硝化反硝化,尤其是在珠江口和长江等富营养化严重的采样站(非耦合反硝化对总反硝化的贡献可达70%以上)。非耦合氮去除率及其对总氮去除的贡献主要受水体盐度、硝态氮浓度、铵态氮浓度和沉积物中二价铁含量的影响。(4) 中国滨海湿地的大部分反硝化序列属于变形菌门(99.30%)。其中,-变形菌门(-Proteobacteria)所占比例最大(78.17%),其次是-变形菌门(-Proteobacteria)和-变形菌门(-Proteobacteria),分别占16.97%和4.16%。剩下的已知序列属于厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actino、bacteria),分别占0.66%和0.04%。主坐标分析结果表明,中国滨海湿地反硝化微生物群落的组成存在显著的空间差异。反硝化微生物群落的结构和分布主要受水体pH值、硝态氮浓度和沉积物二价铁含量的影响。大多数厌氧氨氧化hzo基因序列属于未分类的厌氧氨氧化细菌,厌氧氨氧化细菌群落的组成和分布也有明显的空间差异。此外,测定的理化因子与厌氧氨氧化的相似,细菌群落组成之间没有显著相关性,表明厌氧氨氧化细菌群落的组成和分布可能受到多种环境因素的影响。(5) nir S基因和厌氧氨氧化hzo基因丰度的反硝化速率分别为8.8110~7-2.0810~9copies g-1和5.4010~6-2.8310~8copies g-1。总体而言,nir S基因的反硝化丰度显著高于厌氧氨氧化hzo基因丰度。反硝化作用nir S基因和厌氧氨氧化hzo基因丰度分别与反硝化作用和厌氧氨氧化显著相关,表明nir S和hzo基因丰度在调节反硝化作用和厌氧氨氧化反硝化作用的速率方面也发挥着重要作用。(6) 在长江口的盐度梯度下,反硝化速率在0.69-85.03 mol n m-2 H-1之间,而厌氧氨氧化的反硝化速率在0.19-7.87 mol n m-2 H-1之间。随着盐度的增加,反硝化和反硝化活性总体上呈下降趋势。反硝化作用主要受海水盐度、硝态氮和亚硝态氮的浓度以及沉积物中二价铁、三价铁和有机碳的含量的影响,而厌氧氨氧化主要受海水盐度、亚硝态氮的浓度以及沉积物中二价铁和有机碳的含量的影响。反硝化在脱氮过程中起主导作用,总体贡献率超过85%,但厌氧氨氧化在活性脱氮过程中也起着重要作用。盐度控制实验表明,淡水区盐度的增加总体上促进了反硝化速率和厌氧氨氧化,但在咸水区,盐度的增加对反硝化速率和厌氧氨氧化没有显著影响。