（环境科学专业论文）长江口潮滩环境下厌氧氨氧化anammox过程及形成机制研究.pdf

- l ， - d i s t r i b u t i o na n df o r m a t i o nm e c h a n i s mo f a n a m m o xi ni n t e r t i d a ls e d i m e n t so ft h e y a n g t z ee s t u a r y b y y o n gl i a d 、，i s o r ：p 瑚f m i nl u ，p r o m hl i u p i o f x u ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o hp a n i a lf u m m e n to f t h er e q u i m 钮t f o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c e t h ed e p a r t m e n to fg e o g r a p h y e a s tc h i n an o m a l u n j v e 瑙i t ) r m a 孔2 0 1 1 r - 华东师范大学学位论文原刨性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文长江口潮滩环境下厌氧氨氧化( a 脚o x ) 过程及形成机制研究，是在华东师范大学攻读霭睡博士( 请勾选) 学位期间， 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期：加年j 、月矽。日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 长江口潮滩环境下厌氧氨氧化( a n a 功加o x ) 过程及形成机制研究系本人在 华东师范大学攻读学位期间在导师指导下完成的硕k 自博士( 请勾选) 学位论文， 本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保 留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网” 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据 库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数 据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方 式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文事，于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( v2 不保密，适用上述授权。 导师签名：f 查坠本人签名塑 w ，年丁月；7 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过 的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有 效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公 开学位论文，均适用上述授权) 。 ， 奎夏硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 石仡 磊壤少诌耖氦也研礴为 主席 才撇易嗽聪，僦夫茬 1l 7 占、l 黏磺箨甄1 1 碱嬷士茧 便遗引教接筛1 4 涨否茅拳侈 l 华东师范大学2 0 l1 届硕士学位论文摘要 摘要 氮素是地球上生命物质的重要生源要素，长期以来人类一直从生物圈生态发 展和满足人类食物需要的角度加以研究和利用。而随着农业、工业和生活n 使 用量的不断增加，来自工农业生产和生活污水的排放已成为河口及近岸水域富营 养化、导致有害赤潮频繁发生的重要原因之一，其生物地球化学循环与影响机制 的研究对于深刻认识河口生态系统富营养化演变过程和防止富营养化发生具有 极其重要的意义。 目前，厌氧氨氧化过程作为公认的脱氮途径存在于自然界中。自吲等人 ( 1 9 9 0 ) 在污泥处理过程中首次证实了厌氧氨氧化过程的存在后，在海洋生态系 统，河口地区和淡水湖泊等环境中陆续发现了该过程的存在。厌氧氨氧化过程的 发现，是对氮的生物地球化学循环过程的一种重要补充，为氮元素在水圈中传统 的循环模式与机制提出了新的认识和思考，它在氮循环过程中的地位和作用及其 产生机制成为目前研究的热点。 长江口滨岸潮滩受潮汐、径流双重影响，是一个典型的海陆交互地带，其特 有的河口过程及其特殊的地理位置在国际河口与海岸与海岸研究中占有重要地 位。本文选择高强度作用下的城市化河口_ 长江河口滨岸潮滩为研究对象，选 取浒浦( ) 、吴淞口( w s k ) 、白龙港( b l g ) 、浏河口( u ) 、芦潮港( l c ) 、 大新港( d x g ) 、寅阳( y y ) 和崇明( c m ) 八个典型采样断面，利用同位素示 踪技术，研究沉积物中厌氧氨氧化速率的时空分布规律，并结合长江口沉积物理 化性质特征，探究影响厌氧氨氧化过程的主要控制因子，并估算了该过程在长江 口潮滩湿地特殊生境下脱氮过程的影响。主要研究结论如下： ( 1 ) 长江口滨岸潮滩表层沉积物中厌氧氨氧化速率变化存在明显的时空分布 差异，春、夏、秋、冬四季厌氧氨氧化速率变化范围分别为1 8 8 2 5 2 0 4 岫o l n 一2 9 幸k 百1 奉d - 1 ，2 4 9 2 - 1 5 3 7 3 n 0 1n 2 9 拳k 9 1 木d - 1 ，3 4 5 2 - 1 3 3 4 1 岫o ln 一2 9 宰蚝1 d ， 7 0 9 2 4 3 3 岫1n - 2 9 幸k 9 1 謇d 1 ，变异系数分别为o 3 7 ，0 5 2 ，o 4 6 ，0 4 7 。厌氧氨 氧化速率季节变化，夏秋强于冬春，空间变化，淡水区域强于咸水区域，并且 b l g ，w s k 两点受附近人为排污影响，速率表现更强。 ( 2 ) 崇明东滩枯洪两季表层沉积物a n a 皿n o x 速率的时空分布，从空间分布 j i 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文摘要 来看，其中洪枯两季的最高值均出现在高潮滩，分别为5 4 9 8 陋1 0 ln - 2 9 幸k 茸1 幸d 1 和8 3 1 岫n 0 1n 2 9 率k 茸1 奉d ，最低值出现在低潮滩，分别为2 3 4 6 呻1n 一2 9 木蚝。1 d - 1 和3 4 1 印1 0 ln 一2 9 幸k 岔k d 1 ，而对于干湿交替较为强烈的中潮滩来说，则介于两者 之间，即从高潮滩向低潮滩递减的趋势。从时间分布可以看出，枯季的均值为 8 31p m o ln 一2 9 唪蚝以幸d - l ，洪季的均值为6 4 6 7 肛m o ln 2 9 宰k 茸1 幸d 一，即在崇明东滩 a n a m 加o x 速率表现为洪季强于枯季。柱状沉积物中厌氧氨氧化速率变化范围为 9 2 5 2 3 4pm o ln 2 9 牛埏以幸d 1 ，4 。6 c m 时达到最大值，基本上是一个“先升高再 降低的过程。 ( 3 ) 长江口潮滩表层沉积物中厌氧氨氧化速率变化主要是受控于盐度和沉积 物温度，硫化氢，有机质含量和c n 都对沉积物厌氧氨氧化速率分布存在明显 的影响作用；而f e ，等土壤中活跃的金属离子则非厌氧氨氧化速率的主控因 子。发现在沉积物中硫化氢，有机质含量和c n 都对沉积物厌氧氨氧化速率的 垂向分布存在明显的影响作用。 ( 4 ) 通过对长江口潮滩沉积物中厌氧氨氧化速率在整个脱氮过程所占比例的 研究，发现总脱氮率是1 0 1 2 9 7 8 7 3 1 p m o ln - 3 0 宰k 分1 d 1 ，厌氧氨氧化的脱氮率是 7 0 9 1 5 3 7 3 j m o ln 2 9 宰k 矿1 d 1 ；厌氧氨氧化脱氮量占到总脱氮量的5 2 3 ，表明 厌氧氨氧化过程是长江口滨岸带湿地n 去除的重要途径。 关键字：厌氧氨氧化：氮；滨岸潮滩带；脱氮过程；生物化学循环；沉积物 t 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文a b s c r a c t a b s t r a c t n i 臼的g e ni so n eo fe s s e n t i a le l e m e n ：t sf o rb i o l o 百c a lg r o w t l lo ne a r t h i th a s2 l l w a y s b e e nm l d i e da n d 嘶l i z e db y b e i n gf 0 re c o l o 百c a ld e v e l o p 蚴ta n df - 0 0 d 吣 i i lr e c e n td e c a d e s ，d u et 0 也ee 丘i e c t so f 锄s eb u m a na c t j 啊右e s ，s u b s t a n t i a lr 翩州、他 时咖g e nh a sb e e n 们n s p o m d 血oe s t i l a r i n e 觚dc o a s t a ls e a l s ，a l sar e s u nl e a d i l 玛t 0 s e r i o u se u 加p h i c a 廿o na n d 毹q u e n to c c 硼r 饥c eo f1 1 a 砌【触a l g a eb l o o m s t h e r e f o r e ，i t i so fs i g i l i 丘c a mt 0s t u d ym eb i o g e o c h e 血c a lc y c l eo fn i t r d g e nf o ru n d e r s t 姚gt h e 0 澎i l r r e n c eo f e u t r o p h i c a t i o ni ne s t i l 乏i r i n ee c o s y s t e m s a tp r e s e n t ，a n l e r o b i ca m m 砌u m o 虹d a t i o n ( 孤埝m m o x ) h ：塔b e e ni d e n t i f i e da u sa s i 础i c a n tp a t h w a yo f 幽g e nr e m o v a li nm 咖r a le c o s y s t 即够h 1m ee a d y19 9 0 st h e f i 】随d i r e c te v i d e n c eo ft h e 锄船b i co ) 【i 妇i o no fn h 4 + c a i n e 五的maw a s t ew a l e r 晚加e n t 缸i l 时i nd e 地位n 础e d a n d s af e wy e a r sa = r e r 纰i 尚a ld i s c o 、唧0 f 锄黝o x ，m e 猢0 b i co 】【i d a 缸o no f 猢o i l i 吼c o u p l e dt 01 1 i t r i t er e d u c t i o n 、) l ，i 伍n 2 笛也ee n dp r o d l l i 噶i san e w l y 击s c o v e r e d 面c r o b i a l 缸a n s f o m a ：t i o np a t h w a yi nt h e m a r i n ee c o s y s t e m s ，e s t u a r i e s 纽d 丘- e s h 、a t e r1 a l 汜s t h eu b i q m t o u sp r e s e n c eo f 觚黜0 xi n 毗e c o s y s t e i m sh 嬲c h a n g e do u rk n o w l e d g eo fm e 酉o b a ln i 缸d g e n c y c l e t h ee s t 岫面a n dc o 砌廿眦n 矾嬲a 咖i c a l 舰1 1 s i t i o n a lz o n eb 咖e n1 趾da 工证 o c e a n ，i sam 1 蛐c t i o n a l 锄dc o m p l e xe c o s y s t e m 丽t 1 1s p e c i a le c o l o 舀c a lv a l u e sa n d p 0 i t e n _ t i a lr e s o 珊d 嚣1 1 1 es t i l ( 1 y 锄i ss i 缸瞰e do n 也ey | 觚鲒乙ee g 咄町a n da d j a c e n t c o 蒯t i d a ln a ta r e a s 1 1 1t l l ep r e s e n t 蚰m y ，t h ee i g h ts 鲫叩1 i n gs i t e sw e r es e l e c t e d a l o n gt h e 纰e s t i 妇a n dc o a s t a l 陆s ，i n c l u d i n gx u p u ) ，l i u h e k o u ( l 玎p ， w u s o n g k o u ( w s k ) ，b a i l o n g g o n g l g ) ，l u c h a o g a n g ( l c ) ，d a x i n a n g ( d x g ) ， m n y a n g 锄dc h o n 印血g ( c h d b a s e d0 n 也et e c h n i q u eo f1 1 i 们g e n - i s o t o p i c 仃a u c e ，也et e m p o r a la n ds p a ：t i a l 吐锄g e so ft h e 锄a m m o xp r o c e s so c 吼i r r i n g 、e r e 面【v e s t i g a t e di nm e 血硎d a ls e d 碱so f 也ey 觚g t z ee 螂t h em 嘶血i d i 】唱s a r ea sf 0 h o 、v s ： 1 t h e r ew e r eo b 、，i o u s l y 锄n p o r a la n ds p a t i a lc h a l 玛e so ft h e 锄a 玎咖o xr a t e si n m 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文 也e 廿d a ls e d i m e 鹏o f 也ey a n g t z ee 咖a r y 1 1 1 e 锄砌m o x 均r t e s 眦g e s 舶m1 8 8 2t 0 5 2 0 4 岬ln 2 9 奉l 嘻1 木d 1 ，2 4 9 2t 01 5 3 7 3 陋0 1n 一2 9 木k 矿1 牛d 1 ，3 4 5 2t 01 3 3 4 1 u m o l n _ 2 9 幸k g - 1 幸d - 1 蛆d7 0 9t 02 4 3 3 邺ln 2 9 宰k g - 1 枣d - 1i ns p r 迦，悯触趾d 缸峨 r e s p e c t i v c l y mg e n e r a l ，t h ea d a m m o x r a ：t e si ns p r i n g 趾dw i n ：渤w e r e1 0 w 贫吐l a ni n s 咖e ra n da 1 】加m n a l s o ，t h e 锄衄姐o xr a t e si n 缸s hw a t e ra r e a sw e r eh i g h e r 也趿i n b 戌尚s ha r e a s 2 s i g n i j e i c a n n yt e m p o r a l la r i ds p a ：t i a l v a d a 廿。璐o fm ea r 娜皿o x 船：t e sw e r e o b s e e di nt h ec b 舳粤n i n ge a _ s t e mt i d a lf l a t g 呲r a l l 舅也ea n 卸衄r a t e si nd r ) ， s e a s o n 、e r e1 0 w e rt h a ni nf l o o ds e a u s o n a i s o ，t h em a x i m l l mr a t e so f 锄a m m o x a p p e a r e di n 恤1 1 i g h t 泓n 矾f 0 1 l o w e db y 也e 血d m ea n dl o w 廿d a l 丑a t s 3 u n d e rt h ep - e r i o d i c a lc h a n g e so fe x p o 踮e i m m e r s i o 巩也es p a t i a la n dt e m p o m l d i 虹b u t i o n so ft b ea r l a 【n ：m o xr a t e sw e r ec o n t r o l l e dp r o b a b l yb ys a u n 时a n ds e d i m e n t t i 锄p e r a ：t i 鹏h 2 s ，o ca n dc nr a t ec a i la l s oa 毹c t 也e 柚黜0 xr a t ei n 血e r t i d a l s u r j k es e 曲n e m s0 ft h ey a n 酶猃e s 觚呵h 1 弧他v e r ，t h e 趾觚l i n o xr a t eh a dn 0 c o n e l a - t i o n 、j l ，j t bf ea n d1 洫c o n t e n t s 4 1 kr e 汕ss h o w e dt h a tm et o t a l 删c e so fi l i 仃i ) g e nr e m o v a lw e r e 舶m1 0 1 2 9 t 07 8 7 3 1 岫1n - 3 0 宰k 百1 宰d 1 mc o n 廿a 瓯仕屺锄黜皿m ( r 如sr a n g e d 丘o m 7 0 9 一1 5 3 7 3 岬o ln - 2 9 幸k g - l d 1a t 也e 蛐a r e a 嘶sc o m p 撕s o ns h o w s 恤t 加u t5 t 02 3 o f n 2p d u c t i o ni i ls e d i m e n t so f 也e i n 班z ee 咖m a yb e 甜工i b u t e dt 0t h e a 硎啊t j e so fa i m m i n o xb a c 肥r i 乱t h 饿f o r e ，也e 踟场加l 0 xp r o c e s sp l a y sas i g 面丘c a n t r 0 1 ei n 碳枷v e 幽g e nr e m o 谢a t 舭s t u d ya r e 氖 k e y w o r d ：血l a e r o b i c 黜0 n i ao x m t i o n ；n 栅o g e n ；c o a s t a lt i d a lz o n e ；d e l l i t r i 丘c a t i o n ； b i o g e o c h 谢c a lc y c l e s ；s 文l i l n e n t t 一 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论。 目录 1 1 1 问题的提出及研究意义：1 1 2 国内外研究进展：2 1 2 1 厌氧氨氧化分析测定方法一2 1 2 2 厌氧氨氧化细菌3 1 2 3 不同生态系统的厌氧氨氧化过程研究4 1 2 4 影响因子及机制6 1 3 技术路线与论文创新点8 1 3 1 技术路线8 1 3 2 主要认识与论文创新点1 0 第二章研究区域概况和研究方法 1 1 2 1 区域自然地理特征1 1 2 2 采样断面环境特征。13 2 2 1 南岸边滩1 4 2 2 2 北岸边滩1 6 2 2 3 崇明东滩。1 6 2 3 样品的采集与分析。1 7 2 3 1 野外观测和样品采集1 7 2 3 2 沉积物基本理化性质分析测试1 7 2 3 3a 加m m o x 速率的实验模拟与分析测试：。1 8 第三章长江口潮滩厌氧氨氧化过程的时空分布特征 。2 0 3 1 四季边滩速率时空分布规律2 0 3 1 1 春季沿程分布2 0 3 1 2 夏季沿程分布一2 2 3 1 3 秋季沿程分布。2 4 3 1 4 冬季沿程分布2 6 3 - 2 崇明东滩潮滩沉积物速率时空变化规律3 0 3 2 1 枯洪两季速率变化规律3 0 3 2 2 速率的剖面分布规律3 3 3 3 不同生态系统厌氧氨氧化的速率对比。3 4 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文目录 3 4 小结：3 5 第四章厌氧氨氧化过程的影响因素与作用机理。3 7 4 1 沉积物环境因子与环境分区特征一3 7 4 1 1 边滩沉积物环境因子与时空分布特征3 7 4 1 2 柱样沉积物环境因子与垂向分布特征4 3 4 2 影响因素分析4 5 4 2 1 影响表层沉积物a n a m m 0 x 速率的因素分析4 5 4 2 2 影响柱状沉积物a n a m m o x 速率的因素分析。4 9 4 - 3 小结5 3 第五章生态环境效应。 5 1 厌氧氨氧化在氮循环中的重要意义5 4 5 2 厌氧氨氧化在长江口潮滩中脱氮贡献率5 5 5 3 厌氧氨氧化对温室效应的影响5 6 5 4 小结5 7 第六章主要结论和研究展望 6 1 主要结论5 8 6 2 研究展望。5 8 参考文献 6 0 致谢7 0 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 河口近岸是海陆交互作用的重要地带，是一个多功能的复杂生态系统，具有 独特的生态价值和资源潜力；同时，河口近岸地区各种物理、化学、生物因素梯 度变化剧烈，是一个典型的环境脆弱带和敏感区，极易受各种自然和人为活动的 干扰和破坏。近年来，大量的人为污染物被输入到河口地区，对河口近岸生态环 境产生了严重的威胁。这其中，由营养盐过量输入而引起的水体富营养化( 藻类 赤潮) 尤为突出( c h a ie ta 1 ，2 0 0 6 ；h a l p e me ta 1 ，2 0 0 8 ) 。此外，河口近岸带营养 盐的高度富集还会引起水体出现季节性或永久性的低氧缺氧，造成“死亡区 ( d e a dz o n e ) ，进而可能导致生态系统结构和功能的整体退化( s 仃a m m ae ta 1 ， 2 0 0 8 ) 。因此，营养盐污染是当今全球海岸敏感地带的严重环境问题，有关其生 物地球化学循环与机制研究也被国际重大研究计划( 如i g b p l o i c z ) 列为重点 研究内容之一( s m i 也& h o 、) l 留札2 0 0 6 ；1 1 1 0 哪e ta 1 ，2 0 0 8 ) 。 氮是影响河口近岸水体富营养化发生的关键生源要素之一，研究已发现其负 荷量与河口近岸有害藻类赤潮爆发、低氧缺氧现象的发生、生态系统群落结构 的变化( 退化) 有密切的相关关系( r a b a l a i s ，2 0 0 2 ：b o o t l l & c a n l p b e l l ，2 0 0 7 ；s c a 啊a & d o n n e l l y ，2 0 0 7 ) 。由于受流域人为活动影响( 如化石燃料燃烧和农业化肥的大 量施用) ，河口近岸环境中氮素的人为输入已经远远超过了它的天然输入。据估 算，目前全球每年大约有2 5 t g 的溶解态无机氮被输入到河口近岸环境中，其中 人为氮约占6 4 ( d u m o me ta 1 ，2 0 0 5 ) 。这些高负荷氮绝大部分是以硝态氮的形 式，通过河流、大气沉降或地下水排放等途径，最终汇入到了河口及其近岸地带 ( s e i t 血g e r ，2 0 0 8 ) 。因此，研究和认识硝态氮在河口近岸环境中的转化过程、机 制及其归宿具有极其重要的意义( d 蛐e ta 1 ，2 0 0 8 ；砌、e i l e re ta 1 ，2 0 0 7 ) 。 厌氧氨氧化( a 瑚衄卫o x ) 是指在厌氧条件下，微生物直接以n h 4 + 作为电子 供体，以硝态氮或亚硝态氮作为电子受体，将其中的氮转变成n 2 的过程( 如图 1 1 ) ，因此a n a 加m o x 也被看作是硝态氮永久性脱离水生系统的有效途径。沉积 物作为水环境中最为活跃的生物地球化学“反应器”，对硝态氮的削减( 去除) 和改造影响最为显著，目前已受到国内外学者的广泛关注( 徐继荣等，2 0 0 7 ；白 洁等，2 0 0 8 ；w 1 1 i 恤i 】- e & h a m i h o 玛2 0 0 5 ；i ，a v e 咖a ne ta 1 ，2 0 0 7 ；r o c h 如2 0 0 8 ) 。虽然 利用传统的界面通量法能够研究沉积物对上覆水体中硝态氮的净去除量，但是此 种方法把沉积物作为“黑箱”，因而大大限制了对沉积物中厌氧氨氧化这一重要 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文第一章绪论 硝态氮的转化过程的认知。然而，利用稳定同位素示踪技术，就可“撬开”沉积 物“黑箱 ，去研究沉积物中厌氧氨氧化过程机制及其产物的归宿( 、铷g e re ta 1 ， 2 0 0 5 ；b u r g i n & h a m i l t o n ，2 0 0 7 ；s e i t 血g e r 2 0 0 8 ) ，这也正是目前河口近岸带环境 治理和资源管理的关键环节。但是，在河口近岸这一复杂环境系统内，有关沉积 物中厌氧氨氧化过程机制和影响因子至今尚未被清楚地了解和认识。鉴于此，本 文选取长江口近岸带作为典型区，深入研究河口近岸沉积物中厌氧氨氧化过程机 制及其归宿，这不仅可以深化对氮循环过程及影响机制的理论研究；而且对于评 价和预测河口近岸生态系统环境质量演变以及估算其环境容量均具有重要的现 实意义。 图1 1 厌氧氨氧化反应方程式 f i g1 1f o m u h o fa n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n 1 2 国内外研究进展 1 2 1 厌氧氨氧化分析测定方法 目前，厌氧氨氧化过程的研究主要集中在对厌氧氨氧化速率和厌氧氨氧化菌 群测定。其测定的常用方法为：稳定同位素示踪技术和分子生物学技术。 1 2 1 1 稳定同位素示踪技术 生态系统中厌氧氨氧化过程的发现，和随后在多变的自然环境中厌氧氨氧化 过程的确认，都是基于1 5 n 稳定同位素示踪技术的使用( n a m d r u p & d a l s g 勰r d ， 2 0 0 2 ) 。这些实验都是选取典型的厌氧的沉积物均质泥浆或是厌氧水体作为研究 对象，然后，预先培养以便消耗样本中的氧。实验共分为三组平行样本：1 w ( a ) ，1 筇m 4 + + 1 0 3 毋) ，和1 5 n 0 3 ( c ) 。在经过适宜的培养时间，套匕被提出来并 且用质谱仪分析用1 5 n 特殊标记过的n 2 ( 1 1 5 n 和1 5 n 1 5 n ) 。a 组实验是为确定 除了0 2 ，n 0 3 或n 0 2 ，是否存在其他的物质参与氨的氧化( t h 锄d n l p & d a j s g a a 咄 2 0 0 0 ；n a 加由】p & d m s g a 莉，2 0 0 2 ) 。b 组实验中产生的1 n 1 5 n 都是来自1 5 卜i i 4 中 的1 5 n 和1 4 n 0 3 。中的1 4 n 的拟合，用以证明厌氧氨氧化过程的存在。因为n 0 3 。 2 华东师范大学2 0 l l 届硕士学位论文第一章绪论 在厌氧的沉积物和水样中很容易被还原为n 0 2 。，所以，为了确定b 组实验中是 n 0 3 还是n 0 2 。氧化了全刀f ，设立了c 组实验。c 组实验中加入过量的用1 5 n 特 殊标记过的n 0 3 ，反硝化过程会产生大量的1 5 n 特殊标记过的n 2 ( 1 5 n 1 5 n ) ，结 合的两个1 5 n 原子来自于1 5 n 特殊标记过的n 0 3 。在c 组实验中主要产生的 1 n 1 5 n 都是来自1 冬吼中的1 和1 5 n 0 3 。中的1 5 n 的拟合。有时，在c 组中的一 些样品的本身也会含有的一些1 n 特殊标记过的n 0 3 ，但是通过1 5 n 特殊标记过 的n 0 3 可以计算厌氧氨氧化和反硝化等作用在脱氮过程中的总贡献率 ( n a m d r l l p & d a l s g 砚r d ，2 0 0 2 ) 。 1 2 1 2 分子生物学技术 由于厌氧氨氧化细菌几乎很难分离，并且其世代期很长，所以很难通过培养 后进行分析。因此，对厌氧氨氧化细菌的研究，都是利用分子生物学技术对环境 样品中的微生物进行分析的。随着荧光原位杂交( f i s h ，n u o r e s c e n ti ns h h y b d d a z a 石o n ) 、多聚酶链式反应( p c r ，p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) 、研町a 克隆 及测序等技术的应用，在淡水，海洋，土壤，湿地和废水处理工厂等环境中， a n 咖o x 细菌均有发现。尽管，a n a m m o x 细菌在自然环境中普遍存在，但是， p e n t o ne ta l ( 2 0 0 6 ) 利用f i s h 技术对厌氧水体生态系统进行研究，指出其种群 多样性较低，以c a n d i 鼢u s 跏矗蒯妇置阳为主要优势种。而在对低氧海域和人造 环境的研究中发现，微生物却具有较高的多样性，以假丝酵母菌属居多例如： “c a n d i d a ：c u sz 帕c a z 玩，“c a n d i d a ：c u sj ( “e 7 z e 玎缸 ，“c a n d i d a t u s4 朋z r m m o x o g 幻6 “s ， ( s c h m i de ta 1 2 0 0 5 ) 。l ie ta l ( 2 0 1 0 ) 利用1 6 s 鼢限和沱d 分子标记物技术，对胜 利油田生产废水进行研究，通过比对1 6 sr r n a 基因和枷克隆文库发现与 “c a n d i d a ：t i l sz 阳c 3 矗谊， “c 砌d a t u s 2 l 么p 甩p 珂肠 ，“c a n d i d a t u s5 ，c a 0 白锄叠2 孵”，和 “c a n d i d a t u s 以抛玎缸这几类厌氧氨氧化菌种相似度较高。张瑛( 2 0 0 4 ) 对新沂 河底泥运用f i s h 、p c r 、d n a 克隆及测序等分子生物学技术进行a n a 聊卫o x 菌 的原位检测，发现了一种新的厌氧氨氧化菌种，通过系统发育分析，表明该菌种 属于“c a i 】血d a 慨肋础 菌属。 1 2 2 厌氧氨氧化细菌 目前所发现的厌氧氨氧化菌属主要有“c a n d i d a ：t i 】s 肋c 口馥矿，“c a n d i d a t i l s k 沈万p 刀汀，“c a n d i d a = t u s 么，z 绷历锨d g 如6 搬”，“c a n d i d a t i l s 比胞行缸和c a n 出d a ：h 塔 玩i 比订。最早发现的厌氧氨氧化菌被命名为“c a n d i d a t u s 肋砒 册册小鲫玩嬲 是属于“p 肠n c f d 缈p 捌缈”这一菌属的，而且无法纯化培养。随 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 第一章绪论 后，废水处理工厂中发现了另外三种厌氧氨氧化茵属，它们分别被命名为 “肌阳讹，“豇f g 刀p 纷记”和“& 谢玩蛔”。自然环境中发现的厌氧氨氧化菌主要 属于“c a n d i d a n l s & 讲加d 妇，茵属中的“c a 础d a ：c i l s & 口，打诚般6 加a b p ”和“c 锄m d a t i l s & 口，打砌版w q 影p ，f 两个菌种，两者分别从黑海的厌氧水柱和i h n d e r sf j o r d 的沉 积物中发现的( s c h r n j de ta l ，2 0 0 3 ) 。厌氧氨氧化菌的细胞中都有一个特殊的隔膜 腺体，被称为厌氧氨氧化体，它是厌氧氨氧化过程进行的场所。厌氧氨氧化体的 隔膜是由类脂化合物组成的，通常异常紧密，以防止内部物质扩散，该隔膜是厌 氧氨氧化细菌所特有的。目前普遍认为在这层隔膜上的酶，促进了亚硝酸盐耦合 下的氨氮的氧化，然后生成肼和羟胺等中间产物，最终生成一个正电子通过隔膜， 用于a t p 的制造。这个隔膜也防止了中间产物的流失，并且厌氧氨氧化体限制 了肼这个活性较强的中间产物，这样以便阻止它对细胞其它部分的破坏。关于自 然环境中厌氧氨氧化细菌的生长速率还没有报道，但是从早期废水处理装置中分 离出来的细菌来看，其生长缓慢，在适宜条件下达到对数级增长需要大约9 天的 时间。 1 2 3 不同生态系统的厌氧氨氧化过程研究 1 2 3 1 海洋生态系统 海洋生态系统是厌氧氨氧化过程研究开展最早和最全面的生态系统之一。海 洋是极为重要的n 2 排放源，而海洋生态系统中厌氧氨氧化过程则是区域以致全 球n 循环的重要组成部分。早期关于厌氧氨氧化过程的报道只基于化学能计算 或是间接现象得出。在对黑海地区厌氧无硫水柱的研究中发现，h 瞰+ 在接触上 覆水中的氧之前，就消失了，而那里只存在硝酸盐，这就表明m 时被n 0 3 。氧化， 从而阻止了n h 4 + 接触到氧( m 1 j r r a ye ta 1 ，1 9 9 5 ) 。在海洋沉积物中时被n 0 3 。 氧化也被用于解释厌氧条件中，m r 的消失现象。而且，通过化学能计算，n h 4 + 被n 0 3 。氧化这一过程的所释放的化学能相当可观，这可能也是为何该过程在自 然界发生的原因。直到胁d m p & d a l s g a a r d ( 2 0 0 2 ) 利用同位素示踪技术首次 证实了a 彻m m 0 x 过程在自然环境( 海洋沉积物) 中的存在。之后，有关哥斯达 黎加的杜尔塞海岸和黑海厌氧水柱研究的报道，也印证了的厌氧氨氧化过程的存 在。在对格陵兰岛附近大陆架沉积物的研究中，发现厌氧氨氧化过程的脱氮速率 占到总脱氮速率的3 5 左右( r y s g a a r de ta 1 ，2 0 0 4 ) 。 1 2 3 2 河流湖泊生态系统 a 玎锄m 0 x 过程并不仅局限于海洋和咸水环境，也广泛存在于河流湖泊等淡 4 华东师范大学2 0 1 l 届硕士学位论文第一章绪论 水系统中。在层结湖下，沉积物水界面和水底边界层中，氨态氮，硝态氮和亚硝 态氮共存的环境为a n a m 功0 x 细菌的生长提供了有利的条件。s c b u b e r te ta 1 ( 2 0 0 6 ) 利用1 硝0 3 同位素标记法原位示踪研究坦噶尼喀淡水湖的底层水柱，发现有 血姗埘0 x 过程的存在，厌氧氨氧化过程产生乃占湖中总产脱氮量的9 1 3 ， 经由f i s h 技术鉴定出厌氧氨氧化细菌存在于厌氧氨氧化活动最活跃层，1 6 s m 蛆 基因序列系统进化树分析其属于“c a n d i d a t u s 口砌幽口咖妇 和“c a n d i d a t u s 讲f 以出口s o ，d 七切沪这两个菌种。从w i n t 哪卵e n 湖采集到富含有机质的沉积物 中，分离的细菌通过1 6 s r n a 基因测序，结果显示在淡水湖脱氮过程中，厌氧氨 氧化细菌是除反硝化细菌之外的，又_ 个优势种。徐徽等( 2 0 0 9 ) 在太湖梅梁湾 柱样的脱氮过程研究中，发现反硝化过程贡献率要强于厌氧氨氧化过程。 1 2 3 3 河口生态系统 e re ta l ( 2 0 0 3 ) 研究了英国皿a m e s 河口沉积物中加l a r 衄o x 过程，发 现该过程对氮气产生量的贡献在1 8 之间，且与有机质含量存在显著的正相关 关系。m s g a a r d p e t c r s e n 吼a 1 ( 2 0 0 4 ) 研究了丹麦r a n d e r s 和n 0 r 锄i n d e 河口沉积 物中愈瑚衄o x ，发现该过程约占氮气产生量的5 2 4 ，且主要受硝态氮和亚硝 态氮含量控制。同样，1 血n m e re ta l ( 2 0 0 5 ) 利用同位素示踪技术，通过泥浆实 验研究了河口沉积物中硝态氮和亚硝态氮含量水平对a n a m m o x 过程行为的控 制，结果显示当硝态氮或亚硝态氮含量高于l o n m 时a n a 加瑚o x 速率与硝态氮或 亚硝态氮含量成线性变化，而当其含量低于1 0 n m 时，a n a 加m o x 过程变化趋向 复杂。h i e 伽钮( 2 0 0 7 ) 研究了芬兰湾沉积物中a 瑚m m o x 过程，发现该过程对 氮气产生量的贡献率约占2 0 。慰c he ta l ( 2 0 0 8 ) 探讨了美国c h e s a p e a k e 湾沉 积物中a n a m m o x ，结果显示在c h e s a p e a k e 湾的淡水区域内a n a m m o x 速率最高， 且该过程对氮气生成的贡献率与上覆水盐度和硝态氮含量有关。 1 2 3 4 湿地生态系统 目前，科学家对a n a m m o x 细菌研究多集中在水体系统中，对于湿地环境下 的研究较少。w i c k 姗麟i n g h ee ta l ( 2 0 0 9 ) 利用1 6 s 壬吼基因测序技术对红树林 土壤中的细菌进行研究，并建立了系统发育树，发现这些细菌与厌氧氨氧化菌有 较强的亲源性。k o o p j a k o b s e n & c 曲l i n ( 2 0 1 0 ) 在研究中指出a n 黜o x 细菌在 淡水沼泽系统要比盐水沼泽系统中更占优势。 5 华东师范大学2 0 1 1 届硕士学位论文 第一章绪论 1 2 4 影响因子及机制 尽管，a n a l i 皿o x 的发现进一步深化了人们对氮循环过程的认识，但是目前 就环境因子对沉积物中a n a m m o x 的影响机理以及微生物的作用机制还知之甚 少。目前，发现厌氧氨氧化的影响因素主要有如下几种。 1 2 4 1 温度 在不同生态系统中，厌氧氨氧化细菌表现出较强的温度适应范围，从2 到 8 0 均有发现。对于废水处理装置中的厌氧氨氧化最适宜温度在3 5 左右，多 数自然生态系统往往低于此温度，因此，对于自然环境中厌氧氨氧化种群的适宜 温度，还要符合当地自然环境。例如，在格陵兰岛的永久冻土层中，周围温度 31 3 1 图4 1 为长江口滨岸潮滩表层沉积物f e 3 + f e 2 + 值的时空分布。从季节变化来 看，春季f e 3 + f e 2 + 为o 6 4 1 5 3 ，平均值为1 0 3 ，按照表4 1 的分区标准，除，、 l h k 、l c 处于还原区外，其余各点都处在弱氧化区；夏季变化范围为o 5 6 1 3 1 ， 平均值为o 9 9 ，在淡水区表层沉积物均为还原区，而过渡区和咸水