Nitrification and denitrification in estuarine sediments with tube-dwelling benthic animals

長(zhǎng)江口潮間帶沉積物固氮發(fā)生和對(duì)環(huán)境影響

來(lái)源：Hydrobiologia（2018年）819:217–230

 

論文總結(jié)

摘要核心內(nèi)容

研究了兩種管棲底棲動(dòng)物（端足類Corophium insidiosum和搖蚊幼蟲Chironomus plumosus）對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化河口沉積物中氮循環(huán)過(guò)程（硝化和反硝化）的物種特異性影響。通過(guò)結(jié)合過(guò)程特異性測(cè)量和凈通量分析，研究發(fā)現(xiàn)：

 

通風(fēng)策略差異：C. insidiosum（持續(xù)通風(fēng)）顯著刺激硝化作用（近15倍于C. plumosus），而C. plumosus（間歇通風(fēng)）促進(jìn)水體硝酸鹽（NO??）的反硝化。

氮去除路徑：兩種沉積物凈N?通量相似，但機(jī)制不同——C. insidiosum沉積物中耦合硝化-反硝化主導(dǎo)（66%），C. plumosus沉積物中水體NO??反硝化主導(dǎo)（76%）。

環(huán)境驅(qū)動(dòng)：沉積物特性（如有機(jī)質(zhì)反應(yīng)性）和動(dòng)物生態(tài)特征（如耐低氧能力、棲居深度）共同調(diào)控氮轉(zhuǎn)化效率。

 

方法創(chuàng)新：采用1?NO??稀釋法和N?/Ar測(cè)量替代傳統(tǒng)同位素配對(duì)技術(shù)（IPT），避免了IPT在生物擾動(dòng)沉積物中的均質(zhì)化假設(shè)問(wèn)題。

 

摘要強(qiáng)調(diào)，底棲動(dòng)物通過(guò)物種特異性機(jī)制調(diào)控氮循環(huán)，其生態(tài)功能不能僅憑功能群分類簡(jiǎn)單推斷。

研究目的

本研究旨在：

 

量化物種效應(yīng)：對(duì)比兩種管棲動(dòng)物（C. insidiosum和C. plumosus）對(duì)沉積物硝化和反硝化過(guò)程的差異化影響。

解析機(jī)制路徑：闡明生物擾動(dòng)（如通風(fēng)模式、棲居深度）如何通過(guò)改變氧化還原環(huán)境驅(qū)動(dòng)氮轉(zhuǎn)化（如NH??氧化、NO??源匯）。

驗(yàn)證方法可行性：開發(fā)基于1?NO??稀釋和N?/Ar測(cè)量的替代方案，克服IPT在異質(zhì)沉積物中的局限。

 

評(píng)估生態(tài)意義：為河口氮管理提供物種水平的實(shí)證依據(jù)，指導(dǎo)富營(yíng)養(yǎng)化控制策略。

 

研究思路

研究采用雙站點(diǎn)對(duì)比與多方法聯(lián)用策略：

 

站點(diǎn)與物種選擇：

 

Curonian瀉湖（立陶宛）：采集C. plumosus（搖蚊幼蟲），耐低氧、深棲（10-15 cm）、間歇通風(fēng)。

 

Sacca di Goro瀉湖（意大利）：采集C. insidiosum（端足類），氧敏感、淺棲（2-5 cm）、持續(xù)通風(fēng)。

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

實(shí)驗(yàn)1（Curonian）：重建沉積物微宇宙，設(shè)置無(wú)動(dòng)物、低豐度（600 ind m?2）、高豐度（1,800 ind m?2）處理，預(yù)培養(yǎng)3周穩(wěn)定系統(tǒng)。

 

實(shí)驗(yàn)2（Sacca di Goro）：直接采集原狀沉積物巖心（n=11），預(yù)培養(yǎng)3天。

 

測(cè)量方法：

 

凈通量測(cè)量：黑暗批次培養(yǎng)測(cè)量O?、NH??、NO??、NO??、N?凈通量（N?/Ar法）。

硝化速率：1?NO??稀釋法量化1?NO??外排（硝化貢獻(xiàn)）。

 

沉積物特性：分析有機(jī)碳（Corg）、總氮（TN）、孔隙水NH??、潛在硝化速率（PN）。

 

數(shù)據(jù)分析：ANOVA比較處理差異，線性回歸分析動(dòng)物生物量與通量關(guān)系。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來(lái)源及其研究意義

本研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其具體來(lái)源和科學(xué)意義如下：

1. 溶解氧與無(wú)機(jī)氮凈通量（來(lái)自 Table 1）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：O?消耗（-1,035至-7,611 μmol m?2 h?1）、NH??通量（-89.2至+2.3 μmol m?2 h?1）、NO??通量（-731.3至+365 μmol m?2 h?1）、N?產(chǎn)生（395.1至2,195 μmol m?2 h?1）。

研究意義：

 

O?消耗差異：C. insidiosum沉積物O?需求更高（Table 1），反映其持續(xù)通風(fēng)促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化。

 

N?通量相似性：盡管機(jī)制不同，兩種沉積物N?通量無(wú)顯著差異，表明氮去除能力相當(dāng)?shù)窂椒只?

 

2. 硝化作用數(shù)據(jù)（來(lái)自 Table 1和 Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：1?NO??外排速率（C. insidiosum：194.8 μmol m?2 h?1；C. plumosus：55.9 μmol m?2 h?1）。

研究意義：

 

物種特異性刺激：C. insidiosum對(duì)硝化的促進(jìn)效應(yīng)是C. plumosus的15倍（斜率43.13 vs. 2.45 μmol g?1 h?1），源于其持續(xù)通風(fēng)維持 burrow 氧化環(huán)境（Fig. 3）。

 

NH??利用：C. insidiosum沉積物孔隙水NH??濃度更高（Fig. 1），支持更高硝化潛力。

 

3. 孔隙水與潛在硝化剖面（來(lái)自 Fig. 1）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：孔隙水NH??濃度（C. plumosus：~7 μM全剖面；C. insidiosum：表層12.1 μM，深層188.3 μM）、潛在硝化速率（C. insidiosum表層峰值498 nmol cm?3 h?1）。

研究意義：

 

NH??分布差異：C. plumosus沉積物NH??均勻低值，指示高效去除；C. insidiosum沉積物深層積累，反映礦化-硝化脫耦聯(lián)。

 

硝化熱點(diǎn)：C. insidiosum burrow 壁形成硝化熱點(diǎn)，支持其高1?NO??外排。

 

4. 動(dòng)物生物量與通量關(guān)系（來(lái)自 Fig. 2和 Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：C. plumosus生物量與N?通量正相關(guān)（r2=0.65），C. insidiosum生物量與1?NO??外排正相關(guān)。

研究意義：

 

功能分化：C. plumosus直接增強(qiáng)水體NO??反硝化，C. insidiosum通過(guò)硝化間接驅(qū)動(dòng)反硝化（Fig. 2）。

 

管理啟示：物種組成影響氮去除路徑選擇（如水體NO??輸入高時(shí)C. plumosus更有效）。

 

5. 沉積特性數(shù)據(jù)（來(lái)自文本結(jié)果）

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Corg（3.9-4.0%）、TN（0.34-0.50%）、顆粒尺寸（泥質(zhì)為主）。

 

研究意義：高有機(jī)質(zhì)負(fù)荷為反硝化提供碳源，但可能抑制硝化（通過(guò)O?競(jìng)爭(zhēng)），凸顯動(dòng)物調(diào)控的關(guān)鍵作用。

 

主要結(jié)論

 

物種特異性機(jī)制：C. insidiosum通過(guò)持續(xù)通風(fēng)刺激硝化，C. plumosus通過(guò)間歇通風(fēng)促進(jìn)水體NO??反硝化。

路徑等效性：兩種沉積物凈氮去除率相似，但貢獻(xiàn)路徑不同（耦合硝化-反硝化 vs. 直接反硝化）。

環(huán)境依賴性：氮去除效率受有機(jī)質(zhì)反應(yīng)性、氧可用性及動(dòng)物功能性狀共同調(diào)控。

 

方法優(yōu)勢(shì)：1?NO??稀釋法與N?/Ar聯(lián)用有效規(guī)避IPT局限，適用于生物擾動(dòng)沉積物。

 

詳細(xì)解讀：使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的氧微電極（OX-50）被用于監(jiān)測(cè)上覆水溶解氧濃度（方法部分），雖未直接用于沉積物剖面測(cè)量，但其數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)控制至關(guān)重要：

測(cè)量背景

Unisense OX-50微電極具高精度（靈敏度0.2 μM）和快速響應(yīng)特性，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)批次培養(yǎng)中上覆水O?濃度變化，確保孵化期間O?水平維持在初始值的20-30%內(nèi)（避免缺氧或超飽和）。

研究意義解讀

 

過(guò)程控制保障：微電極實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)確保孵化時(shí)間優(yōu)化（Curonian 5h vs. Sacca di Goro 2h），防止O?耗盡導(dǎo)致反硝化抑制或NH??積累，保障通量測(cè)量準(zhǔn)確性。

通風(fēng)活動(dòng)量化：O?消耗速率（Table 1）間接反映動(dòng)物通風(fēng)強(qiáng)度——C. insidiosum沉積物更高O?需求（-7,611 μmol m?2 h?1）印證其持續(xù)通風(fēng)策略，支持其高效硝化。

氧化還原界定：維持上覆水O?＞20%初始值確保burrow微環(huán)境氧化，避免Fe/S還原干擾氮轉(zhuǎn)化，為硝化提供必要O?條件。

 

方法學(xué)支撐：微電極數(shù)據(jù)驗(yàn)證1?NO??稀釋法前提（O?充足促硝化），確保1?NO??外排準(zhǔn)確反映硝化速率。

 

盡管Unisense電極未直接用于剖面掃描，其提供的高精度O?時(shí)序數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、過(guò)程控制和機(jī)制解析的基礎(chǔ)。沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，研究無(wú)法確保孵化條件一致性或驗(yàn)證通風(fēng)策略差異，凸顯微電極在沉積物-水界面過(guò)程研究中的輔助價(jià)值。