（环境科学专业论文）黄河三角州湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究.pdf

s t u d yo i lz o o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fn i t r i f y i n gb a c t e r i aa n d n i t r i f i c a t i o ni uy e i l o wr i v e rd e l t a a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fp o p u l a t i o na n dt h ed e v e l o p i n go f a g r i c u l t u r ea n dc u l t i v a t i o ni n d u s t r y , t h en i t r o g e np o l l u t i o nt o i n t e n s i f y , a n dt h er e dt i d e p h e n o m e n o no e c u r r e n c e df r e q u e n t l yi ns h o r es e aa r e a ，i tf o r m ss e r i o u sp o l l u t i o nf o r o c e a ne n v i r o n m e n t ，t h e r e f o r e ，t h eb i o l o g yr e h a b i l i t a t et e c h n i ca b o u ti n o r g a n i c n i t r o g e nc o n t a m i n a t i o ni sb e c o m i n go n eo ft h ei m p o n a n tr e s e a r c hf i e l di nc u r r e n t o o e a np o l l u t i o n d i s p o s a l s t u d yt h ee c o l o g y c h a r a c t e r i s t i eo f a o b a n dn i t r i f i c a t i o na n d a d s o r p t i o no fs e d i m e n t si nc o a s t a lw e t l a n dh a v ev e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nf o rt h e r e s e a r c ho f n i t r o g e nc i r c l i n ga n dr e h a b i l i t a t ei nl i t t o r a l i n t h i sp a p e r , t h ed i s t r i b u t i o no fa m m o n i a - o x i d i z i n gb a e t e r i a ( a o b ) a n di t s e n v i r o n m e n t a lf a c t o r si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n ts e d i m e n t so fy e l l o wr i v e rd e l t aw e r e r e s e a r c c h e db yu s i n gt h r e e f l u i dm e t h o d i tw a sf o u n dt h a tt h en u m b e ro fa o bi n d i f f e r e n te n v i r o n m e n ts e d i m e n t si sd i f f e r e n t t h en u m b e ro fa o bi np l a n tr h i z o m a t i e s e d i m e n t si s b i g g e rt h a n t h a ti nn o n r h i z o m a t i ea n dl o we s t u a r ys e d i m e n t s t h e d i s t r i b u t i o no fa o bi si n t e r r e l a t e dt oo r g a n i cm a r e ri ns e d i m e n t a n di sd i s r e l a t e dt o t h ep ha n dc o n c e n t r i t i o no f n l 4 - _ ni ns e d i m e n t s t h ez o o l o g yc h a r a c t e r i s t i co fn i t r i f i c a t i o nb a c t e r i ai nd i f f e r e n te n v i r o n m e n to f w e t l a n dw a ss t u d i e db yu s i n gm o l e c u l a rb i o l o g i c a lt e c h n o l o g y t h e r ea r eb o t hs i m i l a r n i t r i f i c a t i o nb a c t e r i ac o m m u n i t i e sa n dd i f f e r e n t i a lc o m m u n i t i e si nd i f f e r e n t e n v i r o n m e n ts e d i m e n t i th a sm a n i f e s t e dc h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ed i v e r s i t yo fa o bi n n o n p l a n ta r e aa n dl o we s t u a r yi sp r o l i f i ct h a nt h a ti np l a n ta r e a a n dt h ed i v e r s i t yo f a o bi si n t e r r e l a t e dt op ho f s e d i m e n t t h ea d s o r p t i v ec h a r a c t e r i s t i ca n di m p a c tf a c t o r so fn h 4 + - no ns e d i m e n tw e r e s t u d i e db yu s i n gs i m u l a n tm e t h o di nl a b i tw a sf o u n dt h a tt h ea d s o r p t i v ec h a r a c t e r i s t i c o fw e t l a n ds e d i m e n t sw e r ea c c o r d e n c ew i t hb o t hf r e u n d l i c ha n dl a n g m u i r i s o t h e r m a c c o r dt ot h el a n g m u i ri s o t h e r m ，t h el i m i t a d s o r p t i v ec a p a c i t y w a s 1 11 s m g k g t h e a d s o r p t i v e c a p a c i t y o fs e d i m e n t sw a sa f f e c t e d b y i i c o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r e , p ha n ds a l i n i t y w i t ht h en h 4 + - nc o n c e n t r a t i o nr i s i n g t h e a d s o r p t i v ec a p a c i t yo fw e t l a n ds e d i m e n ti n c r e a s e d ，t o o t h ea d s o r p t i o nw a si n h i b i t e d b e c a u s eo fs a l t y t h ea d s o r p t i v ec a p a c i t yd e c r e a s e di fp ho fs o l u t i o nw a st o oh i g ho r t o o l o w t h en i t r i f i c a t i o no fw e t l a n ds e d i m e n t sa n di t s i m p a c tf a c t o r sw e r es t u d i e db y u s i n gs i m u l a n tm e t h o di nl a b t h en i t r i f y i n ga c t i v i t yo fs o i l sf r o md i f f e r e n t e n v i r o n m e n tw a sd i f f e r e n t t h ei n f l u e n e eo fp ho n n i t r i f y i n ga c t i v i t yw a s s t r o n g e s t a l k a l i n ec o n d i t i o ni sm o r ef a v o r a b l et h a na c i d i cc o n d i a t i o nf o rn i t r i f i c a t i o n l o wp hs i g n i f i c a n t l yi n h i b i t e dn i t r i f i c a t i o no fb a c t e r i a t h eo p t i m u mt e m p e r a t u r ef o r n i t r i f i c a t i o nw a s2 8 co rs oa n dl o wt e m p e r a t u r ei n h i b i t e dn i t r i f i c a t i o n n i t r i f i c a t i o n w a s hts e n s i t i v ef o rt h es a l i n i t yi n c r e a s i n ga tl o w e rs a l i n i t i e s b u tn i t r i f i c a t i o nw a s i n h i b i t e dw h e ns a l i n i t yw a st o oh i g h k e yw o r d s ：y e l l o wr i v e rd e l t a ；n i t r i f y i n gb a c t e r i a ；a d s o r p t i o n ；n i t r i f i c a t i o n ； i m p a c tf a c t o r s 独御声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 连! 如遗直甚焦蠡墨挂型直盟鲍! 奎拦豆窑2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：昌艳碑签字闩期：讼田年6 月l o e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部f 1 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：罨辛色孝 签字日期：为司年月f or 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签字： 佃乏 签字同期：一莎月，r 电话： 邮编 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 0 前言 滨海湿地处于海陆交错地带，是海洋的重要地理单元，也是联接陆地和海洋 生态系统的纽带。近年来沿海地区由于人口的增加、工农业和养殖业的发展导致 滨海湿地氮、磷污染加剧，使近岸海域赤潮现象频繁发生( 刘成等，2 0 0 5 ) 。 氮是决定水体发生富营养化的主要限制性因素之一，而氮的吸附过程和硝化 过程都是氮循环过程中的重要步骤。滨海湿地中n 的循环受到微生物活动、高 营养盐、低盐度和水交换频繁等环境因素的影响，发生在该地区的吸附和硝化过 程有着自身的特点和规律( 徐继荣等，2 0 0 4 ) 。 沉积物对氨氮的吸附是氮素生物地球化学循环的关键过程之一，同时水中的 悬浮颗粒物( s p m ) 是氮、磷等营养元素在水中迁移转化的重要载体( 胡智设， 2 0 0 4 ) 。影响沉积物对氨氮吸附的因素很多，包括沉积物温度、赫度、p h 、吸附 时间、有机质含量( o c ) 、黏士矿物性质等( 宋金明等，2 0 0 4 ) 。河口滨岸带具有过 滤器效应，大部分陆缘有机质和污染物将在河口及滨岸带沉积( 刘敏等，2 0 0 5 ) ， 进而会影响到氨氮向上覆水体中扩散，同时还会影响氮在沉积物中的硝化和反硝 化过程。因此研究氨氮的吸附特性及影响因素对于评价潮滩沉积物氮负荷及其对 河口生态系统的贡献具有不容忽视的生态意义。 硝化作用也是滨海湿地氮素生物地球化学循环中的关键过程之一，而硝化细 菌是一种对环境因子的影响十分敏感的细菌，影响海岸带硝化过程的因素很多， 其中主要有温度、p h 、溶解氧含量、n h 4 + 浓度、盐度、溶解二氧化碳、大型植 物等，但这些因素对硝化作用的影响程度、影响规律存在很大差异( 覃超梅， 2 0 0 5 ) 。 鉴于此，本文选择了黄河三角洲滨海湿地土壤作为研究对象，运用实验室模 拟的方法，研究了潮滩沉积物对氨氮的吸附特性和硝化作用强度，并就水体p h 值、温度和盐度对氨氮吸附行为和硝化作用的影响进行了探讨，同时对硝化细菌 进行了研究，以期为进一步研究河口湿地的底质净化功能和特点，为河口湿地生 态系统的修复与重建提供参考。 黄河三角洲渐地销化细菌生态特玎及硝化作用研究 1 概述 1 1 湿地和滨海湿地 1 1 1 概念 1 9 7 1 年，全球政府间的湿地保护公约关于特别是作为水禽栖息地的国际 重要湿地公约( 简称湿地公约或拉姆萨尔公约) 中给湿地下了一个广泛 的定义，即：“湿地是指天然的或人工的、长久的或暂时性的沼泽地、湿原、泥 炭地或水域地带，带有静止的或流动、或为淡水、半成的、咸水水体者，包括低 潮时水深不超过6 m 的海域。”同时湿地还可以包括河流、湖泊、水库、稻田以 及退潮时水源不超过6 m 的沿岸带水区。滨海湿地是指低潮时水深6 m 以内的海 域及其沿岸海水浸湿地带。湿地是种处于陆地生态系统( 如森林和草地) 与水 生生态系统( 如深水湖和海洋) 之间的重要生态系统，是水、陆生态系统之间的 生态交错带，兼具二者属性，但又不同于两者而具有自己的特性( 丁峰元，2 0 0 3 ) 。 1 1 2 滨海湿地效益和价值 滨海湿地是湿地的重要类型，也是海洋的重要地理单元，在海洋资源与环境 中占有突出的地位，具有很高的综合价值，开发前景广阔。 首先，滨海湿地宣于多种鱼类、贝类、底栖动物等水生生物和鸟类等的栖息、 繁衍。生物资源量高、生物多样性丰富，且有不少珍稀、濒危物种的分布，是天 然的基因库，是科学研究的理想场所。 其次，滨海湿地是高生产力的生态系统，能够提供丰富的动植物产品。由于 特殊的自然地理条件，使得天然湿地具有很高生产力，我国的滨海湿地每年为沿 海地区提供数十万吨水产品，还提供数量可观的用作造纸原料和建材的芦苇，以 及用作饲料的海草等。 再次，滨海湿地作为一种空间区域，可以为海水养殖、盐业生产、围垦造地 等活动提供场所，且以其独特景观和美学价值，成为旅游观光和娱乐活动的场所。 再者，由于滨海湿地独特的地理位置，使其植被对防止和减轻海浪对海岸线 黄河三角洲游地硝化细菌生态特征及硝化f r 用研究 的侵蚀起着很大作用，且使建筑物、农作物和其他植被免遭强风和盐风等的破坏。 湿地可以降解污染物，工农业生产带来大量的农药、营养盐、工业污染物、 有毒物质等，随地表径流进入湿地，通过湿地的生化作用可以使污染物降解或转 化( 刘守江等，2 0 0 4 ) 。 1 1 3 科学背景和研究意义 湿地是具有多功能和价值、独特的生态系统，不仅蕴含着丰富的良然资源， 而且在抵御洪水、调节径流、蓄洪防旱、控制污染等方面有其它系统所不能替代 的作用，因此湿地被称为“地球之肾”( 张晓龙等，2 0 0 5 ) 。 滨海湿地生态系统重要的功能之一是具有很高的净化能力，能有效地处理生 活污水、农业面源污水和工业污水，大量截留陆源营养物质总氮和总磷，大幅度 降低b o d ，c o d 含量( 丁峰元，2 0 0 3 ) 。典型的河口盐沼和红树林湿地，其环境 净化价值可达6 7 0 0 ( h m 2 幻，约占该类型湿地生态服务价值的6 7 ( c o s t a n z ar e t a 1 ，1 9 9 7 ) 。湿地净化受多种环境因子影响，沉积物、微生物、温度以及污水在湿 地沉积物中的滞留时间等都是影响处理效果好坏的因子( m o r r i sm e ta 1 ，1 9 9 7 ) 。因 此湿地的净化能力也不是无限的。 黄河三角洲地处山东半岛和环渤海两大经济发达地区联接地带，是我国三 大三角洲之一黄河河口三角洲湿地总面积为4 5 0 0 k i n 2 ，其中潮上带湿地 2 0 0 0 k i n 2 ，潮间带湿地1 5 0 0 k m 2 。中国2 l 世纪议程优先项目计划将“黄河三 角洲地区的资源开发与环境保护”列为优先发展项目。该项目的总目标是将黄河 三角洲地区建设为能源、化工及农业可持续发展的开放型经济区。因此，黄河三 角洲将成为2 l 世纪我国东部地区经济建设的重点地区之一( 李景宗等，2 0 0 0 ) 。 黄河三角洲滨海湿地也是拉姆萨尔国际湿地公约缔约国要求注册的国际重要 湿地，早在1 9 9 2 年就已被设立为黄河三角洲国家自然保护区，也是全国最大的 河1 3 - - - - 角洲自然保护区，是世界范围内河口湿地生态系统中极具代表性的范例之 一 水污染是目前黄河流域社会经济的可持续发展及西部大开发战略的实施，也 关系到人民群众的健康。刘成等从实 贝i i 水样、泥样的分析认识到，应加强黄河口 及其上游的污染防治工作，保护黄河水资源，防止黄河水污染进一步恶化( 刘成 黄河三角洲湿地硝化钏茁生态特征发硝化作用讲究 等，2 0 0 5 ) 。 中国滨海湿地的研究应在国家经济快速发展的基础上取得快速发展，它应该 是今后经济发展、环境保护和人地叻调进步研究中必不可少的重要组成部分。本 文的研究结果，将为充分利用滨海湿地植物并辅以微生物的联合修复技术提供参 考，给我国利用滨海湿地进行生物修复带来生机。 2 国内外研究现状 1 2 湿地水质净化研究 湿地被认为是“天然的污污染水体净化器”，用于污污染水体净化的自然湿 地主要指湖滨湿地、沼泽湿地、滨海赫沼湿地等。而用人工湿地净化污染水体始 于1 9 5 3 年德国的m a x p l a n c k 研究所( h o u s ec he ta 1 ，1 9 9 9 ) 。1 9 7 2 年德国学者 k i c h u t h 于提出根区法( t h er o o t z o n e m e t h o d ) ( b r i xhe ta 1 ，1 9 8 6 ；r e d d y e t a 1 ，1 9 8 7 ；1 9 7 6 ；f e t t e rc wj re ta 1 ，杜中典等，2 0 0 2 ) 标志着人工湿地作为一种独具特 色的新型污染水体处理技术正式进入水污染控制领域。 湿地是一种独特的土壤一植物一微生物系统，当污染水体流经湿地时，水中 的有机质、氮、磷等营养成分将发生复杂的物理、化学和生物的转化作用。自然 和人工湿地对非点源污染物的净化主要通过三条途径：土壤的吸附和截留；植物 吸收及根区反应：微生物降解，同时通过营养物质和水分的生物地球化学循环， 促进绿色植物生长并使其增产，实现废水的资源化与无害化。关于湿地净化功能 已有很多研究，其原理主要是利用湿地中基质、水生植物和微生物之间的相互作 用，通过一系列复杂的物理、化学以及生物学途径净化污染水体，其中微生物和 湿地基质在污染水体净化中起重要作用( l u e d e r i t zv e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 湿地底质及其作用 湿地底质实际上是土壤生物，特别是土壤微生物与沉积物之间的一个综合 体。它们以最紧密的方式和各种微生物的生命活动联系在一起，进行着物质循环 和能量流动，其对水体氮、磷营养盐的含量的影响就是物质循环的重要过程，这 一过程是由基质与微生物共同作用的结果。 4 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 1 2 2 1 湿地基质及其作用 湿地基质往往被看成是高效的“活过滤器”，它的净化功能主要由下列要素 组成：( 1 ) 绿色植物根系的吸收、转化、降解和生物合成作用：2 ) 基质中的细菌、 真菌和放线菌等微生物的降解、转化和生物的固定作用：( 3 ) 基质的有机、无机 胶体及其复合体的吸收、络合和沉淀作用；( 4 ) 基质的离子交换作用；( 5 ) 基质和 植物的机械阻留作用；( 6 ) 基质的气体扩散作用。当污染水体与基质接触时，除 通过沉淀、过滤和吸附等作用直接去除污染物外，基质还能通过一系列物理的和 化学的途径来除去污染水体中的氮、磷等营养物质( r e d d yk r e ta 1 ，1 9 8 3 ) 。总之， 在净化水体的过程中，湿地基质起到了极其重要的作用( s h a l l a g e t a l 。2 0 0 0 ) 。 基质对氮的去除作用包括氨的挥发、硝化和反硝化、基质的吸附、过滤、沉 淀等，主要是氨的挥发、硝化和反硝化( b o t ok g e ta 1 ，1 9 8 8 ) 。对c h i r i c a h u e t o 盐 沼沉积物水晃面和沉积物中的营养元素循环的研究表明：好氧条件下每年每平 方米净沉积氮1 1 3 9 ，这其中包括每年每平方米释放的1 7 9 氮( s o t o j i m e n e zm f e l a i ，2 0 0 3 ) 。对长江口北支潮潍沉积物一水界面无机氮的交换通量及季节变化的研 究表明：随着季节更替，氮的界面交换行为有较大的差异。一方面，滨岸地区的 沉积物对水体中的氮有着良好的去除能力，是水体中硝氮、氨氮的汇；另一方面， 由于河口滨岸生态系统是一个脆弱的并且处于动态变化的系统，随着外界条件的 变化，河口沉积物一水界面的物质交换会受到很大的影响，有可能从营养盐的汇 转化为营养盐的源，对水体造成二次污染( 张兴正等，2 0 0 3 ) 。 不同的基质对污染水体处理效果的影响较大，基质的物理性能对水体中氮、 磷营养盐含量的影响至关重要，不同的底质对它们的净化效率不同( c a m p b e l lc s e ta 1 ，1 9 9 9 ) 。湿地的一个重要特征是存在好氧与厌氧界面，从而使土体内的氧化 还原电位e h 变幅高达1 0 0 0 m v ( - 3 0 0 7 0 0 m v ) ，这意味着湿地基质能发生较多的 氧化还原反应，如有机化合物的降解反应，硝化反硝化反应等。此外，土壤基 质的e h 还会通过影响植物或微生物生长和代谢来问接影响湿地去污效果( s i s t a n i kre ta 1 ，1 9 9 9 ) 。另外，土壤基质中的植物根系吸收、滞留与腐烂，土体内无机 与有机成分的强烈固持很可能是土壤具有强大聚积能力的原因( m a y sp ae l a t ，2 0 0 1 ) 。 1 2 2 2 微生物及其作用 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特缸及硝化作用研究 在净化含氮污染水体污水过程中，微生物起着重要作用( m a h n eie ta 1 ，1 9 9 6 ) 。 一方面，它们是土壤生态系统的重要组成部分，其数量和种类影响着生命元素的 物质循环；另一方面，它们可以分解污染水体中的有机污染物，吸附其它污染物 质，达到改善水质净化水体的目的。 细菌是湿地微生物中数量最多的一个类群，1 9 沉积物中所含的细菌数可达几 亿乃至几十亿，占沉积物微生物总数量的7 0 9 0 ，干重约占沉积物有机质 的l ，以细菌为主体的微生物的河口湿地中几乎无处不在。河口底质上覆水中 的细菌是流动海水内细菌数的2 0 0 倍( 前者是平均3 o l0 5 个细菌m l ，后者是 1 5 1 个细菌m 1 ) ，而沉积物表层5 e r a 处的细菌数又是上覆水中的细菌数的 1 5 0 0 倍，即每克沉积物中含1 7 1 0 8 至4 6 1 0 8 个细菌。对于高生产力的河口湿 地，微生物的丰富度部分决定了进入河口附近水域的碎屑物数量和氮、磷形态， 具有不可忽视的意义( 陆健健，2 0 0 3 ) 。 微生物对污染水体中主要污染物具有显著的去除效果，湿地中细菌、真菌、 放线菌等各种微生物共同协作构成了互利共生的有机系统，共同完成污染水体净 化的任务。引起氮的去除过程的大多数是因为细菌转化作用。污染水体中氨氮的 去除率与硝化细菌数量相关性极显著( 梁威等，2 0 0 2 ) 。 总之，底质对污染水体的净化处理有十分复杂的机理。底质净化水体实际上 是基质和微生物相互关联，物理、化学和生物过程协同作用的结果( v e r h o e v e nj t ae ta 1 ，1 9 9 9 ) 。其中物理作用主要是过滤、沉积作用，污染水体进入湿地，经过 基质层及密集的植物茎叶和根系，可以过滤、截留水体中的悬浮物，并沉积在底 质中；化学反应主要指化学沉淀、吸附、离子交换、拮抗和氧化还原反应等，这 些化学反应的发生主要取决于基质的类型：生物过程主要指微生物在好氧、兼氧 及厌氧状态下，通过开环、断键分解成简单分子、小分子等作用，实现对污染物 的降解和去除以及生物生长活动对营养盐等物质的吸收等。其中沉积物本身及其 中的微生物都具有单独的净化污染物能力，尤其是底质中微生物类群在湿地水体 净化过程中起到极其重要的作用( 张虎成等，2 0 0 4 ) 。沉积物净化污染水体，一 方面基质能沉积、吸附一部分营养物质，同时它为微生物的生存和降解营养物质 提供了必要的场所和好氧厌氧条件，因此净化作用实际上是沉积物本身及其中的 微生物共同作用的结果。 6 黄河三角洲温地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 2 3 湿地生态系统的n 循环 n 是富营养化水体的主要控制目标，因此研究n 在生态湿地中的循环具有重 要的意义。 图1 1 氮素循环图 f i g 1 1 t h e p r o c e s so f n i t r o g e nc i r c l i n g n 在生态系统中的循环过程包含了许多重要的生物和非生物过程，这些过程 涉及到n 在气态、液态和固态间的变化。自然界中n 循环包括五个转化过程： ( 1 ) 同化：植物或微生物吸收氨盐、氨或硝酸盐，把它们同化为有机体内的蛋 白质、核酸、等有机含氮化合物的过程； ( 2 ) 矿化：含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程； ( 3 ) 硝化：氨在微生物的作用下，氧化生成硝酸盐的过程； ( 4 ) 反硝化：在厌氧条件下，硝酸盐被还原成气态氮( n 2 或n 。o ) 的过程； ( 5 ) 固氮：将大气中的分子态氮( n 2 ) 固定生成氮化合物的过程。 7 黄河置角洲湿地峭化钏菌生态特玎及硝化作用训究 1 3 沉积物对氨氮的吸附及其影响因素 1 3 1 沉积物对氨氮的吸附 、沉积物对氨氮的吸附是氮素生物地球化学循环的关键过程之一，水中的悬浮 颗粒物( s p m ) 是氮等营养元素在水中迁移转化的重要载体( v o l l e n w e i d e rr a 。1 9 8 5 ) 。水中污染物在静电力的作用下易在颗粒物表面富集，而且颗粒物上易 于微生物附着生长，有利于污染物的降解。污染物吸附在颗粒物表面沉降到水底， 也是污染物在水中的重要的汇。 河口滨岸带具有过滤器效应，大部分陆源有机质将在河口及其滨岸带沉积 ( 刘敏等，2 0 0 5 ) 。沉积之后的有机质经过微生物矿化作用会产生大量的n h 4 + - n ， 并首先在空隙水中累积，其中一部分n h 4 + - n 会被沉积物颗粒物所吸附，进而会 影响到n h 4 + - n 向上覆水体中扩散，同时还会影响氮在沉积物中的硝化和反硝化 过程，n h a + n 在沉积物中的吸附行为必然也会影响到潮滩沉积物中氮的循环。 因此，研究沉积物对氮、磷的吸附特性，以及影响氮、磷在沉积物水界面迁移 和分配的环境因素，对水体的富营养化水平起着不可忽视的作用( 胡智驶，2 0 0 4 ) ， 而且对于评价潮滩沉积物氮负荷及其对河口生态系统的贡献也具有不容忽视的 生念意义。但迄今为止，还没有文献就该河口潮潍沉积物对n h 4 + - n 的吸附研究 做过相关报道。 1 3 2 吸附作用的影响因素 影响沉积物对氨氮吸附的因素很多，包括沉积物粒度、温度、盐度、p h 、 吸附时问、有机质含量( o c ) 、吸附剂的物理化学性质等( 宋金明等，2 0 0 4 ) ，同时 还受到操作过程与条件的影响，如吸附剂溶液的作用时间、吸附剂用量、溶液中 氨氮浓度等：除与上述因素相关外，还严格地受到水体环境中多种因子的制约( 雷 电，2 0 0 5 ) 。因此，了解吸附过程中环境因子的作用对研究吸附机理是十分重要 的。 以往的研究结果表明，当水体中n h 4 + n 含量较低时，沉积物对n h 4 + - n 的 吸附行为有重要影响，在富含有机质的沉积物中，有机质特别是有机一无机复合 体控制着沉积物对n h 。+ n 的吸附，相反在有机质含量较少的沉积物中，黏土矿 黄河三角溯湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 物似乎影响着n t - h + n 的吸附行为。此外， 与其它环境因子相比，盐度变化最为剧烈， 过程。 河口湿地在成淡水频繁交互过程中， 这必将影响沉积物对n h t + - n 的吸附 下面就几个重要的因素进行论述。 ( 1 ) 粒度的影响 吸附剂的吸附量与其粒度组成有关，任何物体的分子间都有相互作用。在物 体内部，任何分子都受四周分子的同等吸g f ，这些力相互抵消，对分子的能量浚 有影响。然而，对于物体表面的分子则不同，其周围没有相同数量的分子，它受 到的力是不均衡的，这种不均衡的力使表面的分子具有多余的引力。由于这些能 量是因表面存在而产生的，故称为表面能。表面能愈大，吸附作用就越强。表丽 能的大小决定于物体的裸露表面积。比表面积越大，相应的表面能也越大，因而 吸附的物质也越多。 ( 2 ) 温度的影响 温度是影响吸附的重要环境因子之一。温度影响吸附的机理主要包括：( 1 ) 温度升高使颗粒物对吸附质的吸附速率增大，吸附量也随之增加；( 2 ) 表面上的 化学反应其反应热可正可负，温度升高时反应产物的量可能增加也可能减少，而 物理吸附总是伴随有能量的释放，因此温度升高物理吸附量减少；( 3 ) 化学吸附 反应常会产生吸热或放热，因此温度升高有利于吸热的吸附，不利于放热的吸附。 ( 3 ) p h 的影响 p h 对吸附的影响主要表现在：制约吸附质的溶解度等许多重要的性质； 影响吸附剂中自然胶体表面的吸附特征；控制吸附剂表面的各种吸着反应。 如在对氨氮吸附时，p h 值的影响主要是由于n h 4 + 在水中的离解平衡式n h 4 + 一 n h ，+ h + 的存在。当p h 降低，h + 浓度增加，平衡向左移动，吸附量会有所增加， 但是p h 值太小，h + 会和n h 4 + 竞争，导致吸附量下降。所以，对氨氮的吸附存 在一个最佳的p h 值( 刘玉亮等，2 0 0 4 ) 。 ( 4 ) 共存阳离子的影响 水体中的主要离子钙、镁、钠以及重金属离子等对铵离子的吸附都有影响， 因为这些共存离子对铵离子产生竞争吸附。共存离子对氨氮吸附的影响与其化合 价有关，影响大小的顺序为3 价 2 价 l 价：在同价离子中，c a 2 + 大于m f + 的影 9 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 响，这与离子的水化学半径等性质有关。一般随着离子强度的增加，铵离子的吸 附量减少( s p a r ke ta 1 ，1 9 9 5 ) 。在阳离子共存的情况下，沸石对氨氮的吸附量降低， 而以k + 的影响最大，其使沸石的吸附量降低5 0 以上( 张曦等，2 0 0 3 ) 。 ( 5 ) 湿地底泥类型：据丁疆华等的报道，底泥对有机污染物和营养元素的去 除发挥了重要作用，对总氮、总磷和总碳的去除率可达7 0 以上。含有机质丰 富的底泥，有较好的团粒结构，吸附能力强，在底泥和沉积物中生长的微生物种 类和数量多，有助于吸附、降解各类污染物；石灰性沉积物的p h 值高，含较多 的c a 2 + 离子，有利于氮元素的转化和磷的吸附沉淀。 1 4 硝化细菌的硝化作用及影响因素 f 4 t 硝化细菌 硝化细菌( n i 雠研n gb a c t e r i a ，0 1 n i t r i f i 曲是一大类在自然界氮素循环中十分 重要的菌群，它们能够通过硝化作用把氨氮转化为亚硝酸盐，再进一步把亚硝酸 盐转化为硝酸盐。硝化细菌是历史上最早发现的化能无机自养微生物( 张明， 2 0 0 3 ) 。 1 4 1 1 硝化细菌的分类 硝化细菌分为两个属：氨氧化属和亚硝化属。氨氧化属包括：亚硝化单胞菌 属( n i t r o s o m o n a s ) 、亚硝化球菌属( n i t r o s o e o c c u s ) 、亚硝化螺菌属( n i t r o s o p i r a ) 、亚 硝化叶菌属( n i t r o s o l o b u s ) 、和亚硝化弧菌属( n i t r o s o v i b i o ) 均为革兰氏阴性菌它们 能从氨氧化到亚硝酸盐的反应中获得能量并将c 0 2 同化为细胞碳。亚硝酸盐氧 化菌包括：硝化细菌属( n i t r o b a e t e r ) ，硝化刺菌属( n i t r o s p i n a ) 、亚硝化球菌属 ( n i t r o s o c o c c u s ) 和亚硝化螺菌属( n i t r o s o p i r a ) 。根据1 6 s r r n a 的序列同源性种系分 析证明( w o e s e c re ta 1 ，1 9 8 5 ) ，氨的氧化细菌可以分为两类，第一个类包括亚硝 化球菌属，并构成c p r o t e b a c t e r i a s 的一个下级分枝。第二类为亚硝化螺菌属在 b p r o t e b a c t e r i a s k 中构成一个紧密的簇，可以被再分为两个相应的进化枝一亚硝化 单胞菌属和亚硝化螺菌属。由于亚硝化叶菌属、亚硝化弧菌属与亚硝化螺菌属有 很高的1 6 s r r n a 基因序列同源性，现在都归类于亚硝化螺菌属( h e a dim e t a 1 ，1 9 9 3 ) 。尽管有证据证明海洋亚硝化螺菌属的存在，但在浅水的河口和海岸带 地区与两个硝化步骤有关的主要微生物分别是亚硝化单胞菌属和硝化细菌属。 1 4 1 2 硝化细菌的特征 o 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 硝化细菌是化能自养菌类群中的主要生理类群之一，其主要特征如下： ( 1 ) 硝化细菌的大多数种类都是专性化能的自养菌，除了维氏硝化杆菌中的 某些菌株能同化乙酸盐，进行兼性自养生长外，其它的种类几乎都不能在有机培 养基上生长，也不需要外源生长因素。并且亚硝酸细菌与硝酸细菌这两个生理亚 群对底物的要求非常专一，亚硝酸细菌以氨作为能源，硝酸细菌以亚硝酸盐作为 能源。 f 2 ) 6 f i 化细菌的所有种类生长缓慢，平均世代时间在l o 小时以上。 ( 3 ) 硝化细菌均为专性好氧菌，以0 2 为最终电子受体。 ( 4 ) 无芽孢，都是g 一细菌。 ( 5 ) 对溶解氧、温度、p h 等外界因素的变化反映灵敏，易受外界环境的影响。 4 2 硝化作甩 硝化细菌在自然界的氮循环中起着非常重要的作用，它们可以通过硝化作用 把氨氧化成硝酸盐，是氮的生物地球化学循环中不可缺少的一环。 硝化作用是湿地沉积物n 素转化的重要过程，它作为全球氮素循环的核心环 节，对环境的影响很大。不同环境硝化作用的差异将对环境产生不同的影响，因 而正受到越来越多的关注。沉积物硝化活性的强弱，在某种程度上，反映沉积物 硝化能力进行的强度。 氮素硝化作用是指在好氧区域中，在氨氧化细菌和亚硝酸氧化菌的作用下， 将铵氧化为硝酸的过程( n h 4 + - * n h 2 0 h _ 十n 0 2 _ n 0 3 - ) ( p a r t o nw je ta 1 ，2 0 0 1 ) 。这 一过程分两步：第一步，氨在氨氧化细菌媒介的作用下被氧化为亚硝酸盐；第二 步，在亚硝酸盐氧化菌的作用下，亚硝酸被氧化为硝酸。 目前，对硝化作用的研究热点主要集中在两个方面。一个方面是对不同自然 环境中的硝化作用的研究，主要包括不同环境中存在的硝化细菌群落结构、数量 的研究；环境因素对硝化细菌活性、种群及硝化作用的影响研究；硝化作用对环 境的负面影响的研究，如酸化环境和产生温室气体。另一方面是对污染水体处理 系统等人工环境中硝化作用的研究，主要是快速鉴定特定的硝化菌种和确定硝化 菌种群组成，用于监控这些人工环境的正常运行。随着对硝化作用研究的不断深 入，许多新的方法被应用到其中，尤其是分子生物学的应用，使得对硝化细菌这 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 种难培养微生物的研究有了突破性的进展。目前对沉积物中硝化的研究主要集中 在农田生态系统、森林生态系统，对河口湿地生态系统中硝化的研究则少见报道。 4 3 硝化作用的影响因素 沉积物硝化过程很复杂，受多种因素的影响，如沉积物本身的物理、化学性 质，p h 、水分含量、大型植物等因素，因此其硝化作用的变异也很大。 ( 1 ) 氨氮浓度的影响：硝化细菌的起始作用底物为氨氮，较低浓度的底物常 常不能满足硝化菌的要求，但过高浓度的氨氮又可能会对硝化细菌产生抑制作 用，所以氨氮底物浓度的高低对硝化作用有较大影响。研究表明不同的硝化细菌 菌种可能会适应不同浓度得以氨氮底物( s a r a s w a tn e ta 1 ，1 9 9 4 ) ，张伟对所研究的 活性污泥的氩氮浓度实验表明在氨氮浓度在5 0 0 5 5 0 m g l 范围时，硝化细菌对 氨氮的降解速率最快( 张伟，2 0 0 2 ) ，p h 和氨氮浓度过高可能会导致非离子氨氮 含量的增加从而抑制硝化作用的进行。 ( 2 ) 沉积物性质的影响：h a d a s 等( h a d a s a se ta 1 ，1 9 8 6 ) 认为，当铵态氮浓度不 是硝化速率的限制因子时，最大硝化速率依赖于沉积物性质。沉积物硝化作用与 其物理、化学性质的关系，结论很不一致，a n d e r s o n ( a n d e r s o nq ee ta 1 ，1 9 6 0 1 认为不同沉积物间硝化作用的差异与沉积物类型、全氮及阳离子交换量没有相关 性。而张树兰等( 张树兰等，2 0 0 0 ) 对不同旱作土壤剖面研究表明：硝化作用与沉 积物矿质氮、全磷及速效钾成显著正相关，与代换量、无理性粘粒呈极显著负相 关，并认为沉积物的肥沃程度及质地是影响硝化作用的重要因素。 ( 3 ) p h 的影响：p h 是影响硝化作用的重要因素之一。自养硝化作用在p h 5 5 6 0 的环境中进行得较慢，在p h 4 5 5 5 的环境中进行非常缓慢，而在p h 4 5 以 下时，硝化作用基本上停止。d a n c e r 等( d a n c e r w se ta 1 ，1 9 7 3 ) 的研究表明，当早 地土壤p h 从4 7 增高到6 5 时，硝化速率增加3 - - 5 倍。范晓晖( 范晓晖等，2 0 0 2 ) 研究表明，三种农田土壤( o 1 0 0 c m ) 音t 面中各层土壤的硝化势与土壤p h 值呈极 显著的正相关。硝化细菌喜欢偏碱性的环境，适宜的p h 范围为7 5 8 ，5 。 李良谟的研究结果也表明，土壤硝化率与土壤p h 呈极显著的正相关，p h 为5 6 的土壤的硝化率很低。在p h 为5 6 8 0 范围内硝化率随士壤p h 的升高 而增大( 李良谟等，1 9 8 7 ) 。h a y a t s u 和k o s u g e ( 1 9 9 3 ) 在研究茶园土壤的硝化活性 黄河三角洲湿地硝化细菌生态特征及硝化作用研究 时也发现，p h 与硝化活性有很好的正相关，而且，富钙小区土壤的硝化活性明显 高于缺钙小区，其原因是前者的p h 比后者高1 5 个单位( h a y a t s um e ta 1 ，1 9 9 3 ) 。 k a t y a l ( 1 9 8 8 ) 等研究了1 5 个土壤的硝化活性结果表明，在p h 为4 6 5 1 的土壤 中，硝化作用不明显；在p h 为5 8 - 6 0 的土壤中硝化作用进行缓慢，只有在p h 为6 4 - 8 3 的土壤中，硝化作用才强烈进行。上述研究结果都表明，硝化活性随土 壤p h 的井高而增强。李良谟指出，p h 低的土壤中硝化活性低的主要原因是自 养硝化菌的数量很少，自养硝化细菌适宜在