Nitrogen loss process in hypoxic seawater based on the culture experiment  

基于培養實驗的低氧海水氮損失過程研究  

來源：Marine Pollution Bulletin 152 (2020) 110912

《海洋污染通報》第152卷（2020年），文章編號110912

 

摘要核心內容

 

研究通過實驗室培養實驗模擬不同溶解氧條件（厭氧、低氧、富氧），揭示低氧海水中溶解無機氮（DIN）的轉化機制與氮損失路徑。結果表明：  

1. 三階段氮轉化：  

   ? 第一階段：以異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）和反硝化為主  

 

   ? 第二階段：厭氧氨氧化（anammox）和反硝化共同作用  

 

   ? 第三階段：厭氧氨氧化主導氮損失，并與沉積物礦化輸入達到平衡  

 

2. 全球氮損失估算：基于穩定階段數據，推算全球海洋低氧區（OMZs）年氮損失量為240-260 Tg（百萬噸），高于此前認知。  

 

研究目的

 

1. 闡明低氧海水中氮損失的主要反應類型、速率及貢獻比例  

2. 量化不同溶解氧條件下DIN（NO??、NO??、NH??）的轉化路徑  

3. 評估全球海洋OMZs的氮損失總量  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

   ? 采集膠州灣沉積物與海水（圖2），構建三組培養系統（圖3）：  

 

     ? 系統1（厭氧）：通入N?（DO≈0.60 mg/L）  

 

     ? 系統2（低氧）：自然狀態（DO≈5.82 mg/L）  

 

     ? 系統3（富氧）：通入空氣（DO≈7.82 mg/L）  

 

   ? 監測64天，每48小時采樣分析DIN變化  

 

 

2. 多參數同步監測：  

   ? DO、pH動態（圖4）  

 

   ? DIN（NH??、NO??、NO??）濃度時序變化（圖5）  

 

   ? H?S濃度垂直分布（Unisense微電極測量，圖6）  

 

   ? PO?3?濃度變化（圖8）  

 

 

 

 

3. 機制解析：  

   ? 結合反應動力學（如一級反應方程）與底物消耗/積累規律  

 

   ? 通過磷酸鹽釋放反推沉積物礦化輸入（Redfield比率N:P=16:1）  

 

測量數據及研究意義

 

1. DO與pH動態（圖4）  

   ? 數據：系統1（厭氧）DO均值0.60 mg/L，pH均值8.53；系統2（低氧）DO 5.82 mg/L，pH 7.97  

 

   ? 意義：驗證培養系統氧分壓控制有效性，pH差異反映CO?溶解/逸出機制  

 

2. DIN濃度時序變化（圖5）  

   ? 數據：  

 

     ? 厭氧系統（系統1）NH??濃度波動顯著（最高13.08 μmol/L）  

 

     ? NO??在12-14天降至穩態（≈1 μmol/L）  

 

     ? NO??在厭氧系統平均濃度（0.22 μmol/L）顯著高于富氧系統（0.08 μmol/L）  

 

   ? 意義：揭示DNRA在厭氧條件下優先發生，而富氧系統以硝化/反硝化主導  

 

3. H?S分布（圖6）  

   ? 數據：厭氧系統H?S濃度高1 μmol/L（SO?2?還原產物）  

 

   ? 意義：證實硫循環對氮轉化的潛在影響（如自養反硝化）  

 

4. PO?3?釋放（圖8）  

   ? 數據：厭氧系統PO?3?釋放速率（0.02 μmol/(L·d)）高于富氧系統  

 

   ? 意義：通過P釋放反推沉積物礦化輸入DIN量，支撐氮平衡計算  

 

結論

 

1. 氮損失主導路徑：  

   ? 厭氧條件：DNRA（貢獻率40%）→ 反硝化（60%）→ anammox（后期主導）  

 

   ? 富氧條件：好氧反硝化主導  

 

2. 全球氮損失量：OMZs年損失240-260 Tg，表明當前氮預算低估厭氧環境損失  

3. 管理啟示：低氧區擴張將加劇氮循環失衡，需關注OMZs的氮損失機制  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

研究使用丹麥Unisense微電極系統原位測定水柱H?S濃度（圖6），其核心價值在于：  

1. 高分辨率原位監測：  

   ? 以毫米級精度獲取H?S垂直剖面（4 cm水表至沉積物界面）  

 

   ? 避免采樣擾動，準確反映硫還原產物空間分布  

 

2. 揭示硫-氮耦合機制：  

   ? H?S濃度差異（厭氧系統高1 μmol/L）證實硫酸鹽還原（SO?2?→H?S）在厭氧環境活躍  

 

   ? 排除H?S抑制效應（濃度<抑制閾值0.33 mmol/L），明確anammox可正常進行  

 

3. 支撐氮損失路徑解析：  

   ? 低H?S濃度表明自養反硝化（以S為電子受體）貢獻微弱  

 

   ? 聚焦DNRA/anammox主導的氮損失機制，簡化模型計算  

 

科學價值：Unisense電極提供關鍵環境參數（H?S），厘清硫循環對氮轉化的干擾，為建立純凈氮損失模型提供實證基礎。