Dynamics of Benthic Nitrate Reduction Pathways and Associated Microbial Communities Responding to the Development of Seasonal Deoxygenation in a Coastal Mariculture Zone

沿海海水養(yǎng)殖區(qū)季節(jié)性脫氧發(fā)展的底棲硝酸鹽還原途徑和相關(guān)微生物群落動(dòng)態(tài)

來(lái)源：Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 15014?15025

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過(guò)整合1?N同位素標(biāo)記、實(shí)時(shí)定量PCR和高通量測(cè)序技術(shù)，探究了季節(jié)性脫氧對(duì)沿海養(yǎng)殖區(qū)沉積物硝酸鹽（NO??）還原途徑（反硝化、厭氧氨氧化、異化硝酸鹽還原為銨）及功能微生物群落的動(dòng)態(tài)影響。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

反硝化主導(dǎo)氮損失：反硝化（DNF）是主要硝酸鹽還原途徑（46.26–80.91%），夏季脫氧期（溶解氧降至2.94 ± 0.28 mg/L）顯著提升反硝化和DNRA速率，厭氧氨氧化（AMX）則保持穩(wěn)定（圖3a）。

 

 

功能基因響應(yīng)：脫氧期一氧化二氮還原酶基因（nosZ）豐度上升（圖3d），其群落對(duì)脫氧敏感（Azospirillum和Ruegeria為優(yōu)勢(shì)菌），而DNRA功能基因（nrfA）群落以Pelobacter為主且受脫氧影響較?。▓D4a-b）。

 

 

驅(qū)動(dòng)因素：底棲硝酸鹽還原過(guò)程受底部水體溶解氧（DO）、溫度、葉綠素a（Chl-a）及微生物基因豐度/群落組成的共同調(diào)控（圖5，表1）。

 

 

 

生態(tài)意義：季節(jié)性脫氧區(qū)是沿海生態(tài)系統(tǒng)的重要氮匯，對(duì)維持氮平衡至關(guān)重要（圖5j-l）。

 

研究目的

 

闡明脫氧對(duì)硝酸鹽還原路徑的影響：量化季節(jié)性脫氧期間反硝化、厭氧氨氧化和DNRA的參與度與動(dòng)態(tài)變化。

 

解析功能微生物群落演替：揭示脫氧條件下功能基因（如nosZ、nrfA）的豐度與群落結(jié)構(gòu)變化。

 

建立環(huán)境-微生物-過(guò)程的關(guān)聯(lián)：探究環(huán)境因子（DO、溫度、Chl-a）與微生物群落如何協(xié)同調(diào)控氮轉(zhuǎn)化路徑。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 多階段野外采樣與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)合 的策略：

 

采樣設(shè)計(jì)：

 

時(shí)空梯度：2017年5–11月采集山東半島養(yǎng)殖區(qū)7個(gè)站位的沉積物（圖1），覆蓋脫氧發(fā)展（7–8月）、消退（9月）和再氧合（11月）階段。

 

 

巖芯培養(yǎng)驗(yàn)證：2023年4月通過(guò)完整巖芯培養(yǎng)模擬常氧（~8 mg/L）、輕度缺氧（~3 mg/L）和嚴(yán)重缺氧（~1 mg/L）條件（2.1節(jié)）。

 

分析方法：

 

過(guò)程速率：1?N標(biāo)記法測(cè)定反硝化、厭氧氨氧化和DNRA速率（圖3）。

 

功能基因：qPCR定量nirS、nirK、nosZ、nrfA等基因豐度（圖3d-f）；Illumina測(cè)序分析nosZ和nrfA群落結(jié)構(gòu)（圖4）。

 

環(huán)境參數(shù)：監(jiān)測(cè)DO、溫度、Chl-a、沉積物TOC/TN等（圖2）。

 

 

數(shù)據(jù)整合：

 

統(tǒng)計(jì)模型：Spearman相關(guān)性分析（圖5）、逐步多元回歸（SMR）量化驅(qū)動(dòng)因子貢獻(xiàn)（表1）。

 

機(jī)制圖解：構(gòu)建脫氧發(fā)展不同階段的硝酸鹽還原路徑模型（圖5j-l）。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 硝酸鹽還原速率動(dòng)態(tài)（圖3a-c）

 

數(shù)據(jù)：脫氧期（7–8月）反硝化速率升至峰值（15.22 nmol N cm?3 h?1），DNRA貢獻(xiàn)率（DNRA%）從6%增至23%。

 

意義：首次量化養(yǎng)殖區(qū)脫氧事件對(duì)氮損失的增強(qiáng)效應(yīng)（反硝化↑59.3%），證實(shí)季節(jié)性脫氧區(qū)是重要氮匯（圖3g-h）。

 

2. 功能基因響應(yīng)（圖3d-f, 圖4）

 

數(shù)據(jù)：脫氧期nosZ基因豐度顯著上升（4.71×10? copies/g），nosZ群落中Azospirillum（31.62%）和Ruegeria（18.26%）占比最高（圖4a）；nrfA群落以Pelobacter（60%）主導(dǎo)且穩(wěn)定（圖4b）。

 

意義：揭示脫氧通過(guò)富集特定反硝化菌（如Ruegeria）提升氮損失能力，而DNRA菌（Pelobacter）的穩(wěn)定性解釋其耐脫氧特性。

 

3. 環(huán)境-微生物耦合（圖5, 表1）

 

數(shù)據(jù)：SMR模型顯示DO解釋反硝化速率變異的54%（表1）；反硝化速率與Chl-a正相關(guān)（r=0.81, p<0.01），DNRA%與溫度正相關(guān)（r=0.62, p<0.01）（圖5c-e）。

 

意義：闡明藻源有機(jī)物（Chl-a↑）和升溫（↑）分別驅(qū)動(dòng)反硝化和DNRA，為預(yù)測(cè)脫氧區(qū)氮循環(huán)提供參數(shù)化模型。

 

4. 巖芯培養(yǎng)驗(yàn)證（圖3g-i）

 

數(shù)據(jù)：嚴(yán)重缺氧時(shí)（DO~1 mg/L），DNRA速率↑486%，反硝化速率↓40.6%（圖3i）。

 

意義：明確脫氧閾值效應(yīng)——輕度缺氧促氮損失，嚴(yán)重缺氧則促氮保留（DNRA↑），指導(dǎo)養(yǎng)殖區(qū)溶解氧管理。

 

核心結(jié)論

 

脫氧增強(qiáng)氮損失：輕度脫氧（DO~3 mg/L）通過(guò)富集反硝化菌（如Azospirillum）提升氮移除59.3%，證實(shí)養(yǎng)殖區(qū)為重要氮匯。

 

DNRA的氧依賴性：嚴(yán)重缺氧（DO<2 mg/L）時(shí)DNRA取代反硝化成為主導(dǎo)路徑，增加系統(tǒng)氮滯留風(fēng)險(xiǎn)。

 

微生物群落驅(qū)動(dòng)：nosZ群落對(duì)脫氧敏感且與反硝化速率強(qiáng)相關(guān)，nrfA群落穩(wěn)定性維持DNRA功能。

 

管理啟示：控制養(yǎng)殖密度與有機(jī)物輸入，避免嚴(yán)重缺氧以維持脫氧區(qū)氮匯功能。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理與部署

 

型號(hào)與精度：丹麥Unisense OX-25微電極，測(cè)量精度<0.5%，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧濃度（2.3節(jié)）。

 

應(yīng)用場(chǎng)景：用于完整巖芯培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)（圖3g-i），通過(guò)調(diào)控氣體（空氣/N?混合）維持三種DO水平（常氧~8 mg/L、輕度缺氧~3 mg/L、嚴(yán)重缺氧~1 mg/L）。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機(jī)制解析

 

脫氧閾值效應(yīng)量化（圖3g-i）：

 

Unisense數(shù)據(jù)精準(zhǔn)捕捉DO從3 mg/L降至1 mg/L時(shí)，反硝化速率從1.59 mmol N m?2 d?1降至0.94 mmol N m?2 d?1（↓40.6%），而DNRA速率從0.25升至1.22 mmol N m?2 d?1（↑386%）。

 

意義：首次在養(yǎng)殖沉積物中建立DO濃度與氮路徑轉(zhuǎn)換的定量關(guān)系，明確3 mg/L為反硝化/DNRA的臨界閾值。

 

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)：

 

電極數(shù)據(jù)顯示DO<2 mg/L時(shí)，沉積物氧化還原電位（ORP）驟降（圖4關(guān)聯(lián)分析），觸發(fā)硫酸鹽還原菌（如Pelobacter）增殖，促進(jìn)DNRA所需的還原環(huán)境。

 

意義：揭示“低DO→ORP↓→硫化物↑→抑制N?O還原酶→DNRA↑”的級(jí)聯(lián)機(jī)制（圖5j-l）。

 

研究意義

 

方法學(xué)創(chuàng)新：Unisense電極實(shí)現(xiàn)DO梯度的高分辨率控制，克服傳統(tǒng)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的氧控缺陷。

 

機(jī)制深度解析：量化脫氧程度對(duì)氮路徑的非線性影響，為“輕度脫氧增氮匯，重度脫氧增風(fēng)險(xiǎn)”提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

 

應(yīng)用價(jià)值：指導(dǎo)養(yǎng)殖區(qū)溶解氧智能監(jiān)測(cè)，優(yōu)化曝氣策略以維持DO>3 mg/L，最大化氮移除效率。

 

總結(jié)：本研究通過(guò)Unisense電極精確量化脫氧程度對(duì)氮路徑的調(diào)控，結(jié)合微生物群落分析，揭示輕度脫氧通過(guò)富集反硝化菌增強(qiáng)氮匯功能，而嚴(yán)重脫氧則激活DNRA導(dǎo)致氮滯留。成果為沿海養(yǎng)殖區(qū)的脫氧防控與氮管理提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。