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（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模式  

來源：Frontiers in Marine Science  

《海洋科學前沿》  

 

摘要內容  

 

研究在波羅的海南部格但斯克灣的維斯瓦河羽流區，通過春季（低溫高硝酸鹽）和夏季（高溫低硝酸鹽）的原位沉積物培養實驗，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）的時空變化規律。研究發現：  

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

DNRA僅在夏季顯著增加，最高貢獻率達37%（站點V10）  

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

 

 

研究目的  

 

評估波羅的海沿岸沉積物在不同季節對陸地氮輸入的緩沖能力，揭示溫度、硝酸鹽負荷和沉積物特性對氮去除（反硝化）與氮循環（DNRA）的調控機制，預測氣候變化下極端水文事件對海岸帶氮循環的影響。  

 

研究思路  

 

(1) 梯度設計：沿維斯瓦河口外海選擇4個深度梯度站點（5-24米），形成沉積物有機質梯度  

(2) 季節對比：在春季高流量/低溫（4°C）和夏季低流量/高溫（18°C）進行采樣  

(3) 過程量化：  

使用完整沉積物柱進行暗培養，測量溶質通量（O?、NH??、NOx）  

 

1?N同位素配對技術測定反硝化和DNRA速率  

 

硝酸鹽濃度梯度實驗（10-2000 μM）評估過程飽和特征  

 

(4) 環境關聯：分析沉積物特性（有機質、C/N比）、大型底棲動物組成與氮過程的聯系  

 

測量數據及研究意義（數據來源）  

 

(1) 沉積物特性（表2）：  

 

 

有機質含量（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，顯示深層站點更有利于氮去除  

 

(2) 溶質通量（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452 μmol/m2/h（站點V10）  

 

硝化作用主導的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V10）  

 

(4) 硝酸鹽響應實驗（圖5）：  

 

最大反硝化潛力Vmax達688 μmol/m2/h（站點V18）  

 

半飽和濃度Km為306-859 μM  

 

結論  

 

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

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

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

(4) 極端事件響應潛力：沉積物對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  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

通過OX-100微電極測量沉積物-水界面氧通量（圖3A），實現了：  

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

(2) 計算理論氨化率：將耗氧量轉換為碳氧化速率，再結合C/N比推算沉積物氨化潛力，發現實測NH??通量僅占理論值的53-100%，揭示硝化作用對銨的消耗  

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

(4) 過程耦合分析：氧動態決定硝化/反硝化的空間分離程度，夏季薄氧化層促進硝化產物（NOx）向下方缺氧區的輸送，增強Dn過程