（环境工程专业论文）湖泊沉积物氮素释放特征研究.pdf

湖泊沉积物氮素释放特征研究 摘要 我国从上世纪8 0 年代至今，由于工农业的快速发展，大量氮磷等营养元素 及有机污染物人为排入湖泊中，富营养化湖泊所占的比例已增加到了8 8 6 ，成 为一个严峻的环境问题。湖泊作为容纳和净化陆源污染的自然生态系统，在全球 氮循环中发挥着重要作用。研究湖泊生态系统沉积物中硝化、反硝化、厌氧氨氧 化过程和无机氮的垂直分布规律，对进一步研究湖泊生态系统氮循环及污染修复 有着理论和现实意义。 本文以武汉东湖、南湖以及南湖周边养殖塘为研究区域，采用乙炔抑制法测 定了研究区域沉积物硝化速率；1 5 n 同位素示踪法测定了湖泊沉积物反硝化速率 和厌氧氨氧化速率。通过全年季节采样，得出了研究区域硝化、反硝化和厌氧氨 氧化季节和空间变化特征，在此基础之上分析了主导研究区域硝化、反硝化和厌 氧氨氧化的环境因子。研究结果表明： ( 1 ) 硝化速率：东湖沉积物全年硝化速率变化范围为1 8 0 1 1 0 6 3 1 g m 0 1 m - 2 h 一，均值为6 0 5 4i t m o l m - 2 h ；南湖沉积物全年硝化速率变化范围为 1 2 8 2 1 - - 4 0 4 2 9p m o l m 2 h ，均值为2 1 4 1 2g m o l m - 2 h ；养殖水体沉积物全年 硝化速率变化范围为2 2 9 8 - - - 9 8 3 3l a m o l m 2 h ，均值为6 4 7 7g m o l m - 2 h 。 ( 2 ) 反硝化速率：东湖沉积物全年反硝化速率变化范围为4 0 5 0 - - - 2 2 0 1 3 l a m 0 1 m - 2 h ，均值为9 0 6 4i t m o l - m 2 h 。南湖沉积物全年反硝化速率变化范围为 1 2 5 5 1 - - - 2 9 0 3 01 t m 0 1 m 2 h ，均值为1 9 3 5 6p t m 0 1 m - 2 h 。养殖水体沉积物全年反 硝化速率变化范围为3 3 5 5 1 0 7 5 1g m o l m 2 h 一，均值为6 9 6 4l a m o l m 2 h 。东 湖、南湖、养殖塘耦合硝化一反硝化占反硝化量的比例分别为8 6 3 、7 8 1 、 8 8 1 ；非耦合硝化一反硝化占反硝化量的比例分别为1 3 7 、2 i 9 、1 1 9 。 ( 3 ) 厌氧氨氧化速率：东湖沉积物全年厌氧氨氧化速率变化范围为5 0 3 3 3 3 8l a m 0 1 m 2 h - 1 ，均值为1 2 7 0g m o l m - 2 h 一。南湖沉积物全年厌氧氨氧化速率 变化范围为1 0 5 0 - - - 3 5 3 2 t m 0 1 m 2 h - 1 ，均值为1 7 7 1l a m o l m - z h 一。养殖水体沉积 物年厌氧氨氧化速率变化范围为7 4 6 1 2 3 9g m o l m - 2 h ，均值为9 9 8 g m o l m - 2 h 。东湖、南湖、养殖塘厌氧氨氧化产生n 2 量占湖泊产生n 2 量百分比 分别约1 2 1 、8 2 、1 3 2 。 ( 4 ) 季节和空间变化特征：研究区域硝化、反硝化速率表现出夏季 秋季 冬季 春季的季节变化特征，厌氧氨氧化速率表现出夏季 秋季 春季冬季 华中农业大学2 0 1 2 届硕士研究生学位论文 的季节变化特征。同一季节，硝化、反硝化速率在污染源排放口形成明显的高值 区，沿水流扩散方向逐渐减小。 ( 5 ) 环境影响因子：研究区域沉积物有机质含量和沉积物表层上覆水温度、 n h 4 + 浓度、营养盐含量对研究区域沉积物硝化、反硝化、厌氧氨氧化速率的影 响都达到显著性水平( p 0 0 5 ) ；此外，反硝化、厌氧氨氧化作用还受到沉积 物表层上覆水中溶解氧、n 0 2 - 浓度和间隙水中n 0 2 浓度的制约，其影响也达到 显著性水平( p o 0 5 ) 。 本文对湖泊生态系统中氮素循环转化做了概括和总结。通过研究，得出了研 究区域沉积物脱氮效率，区分了不同脱氮方式在脱氮过程中的贡献，揭示了沉积 物脱氮的季节和空间变化特征，明确了影响该研究区域氮转化的主导环境因子， 并对以后的氮素循环研究进行了展望。 关键词：湖泊；硝化；反硝化；厌氧氨氧化；季节变化；空间变化；环境影响因 子 i i a bs t r a c t f r o mt h e19 8 0 st op r e s e n t ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ， al a r g en u i r l b e ro fn i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n do r g a n i cp o l l u t a n th a v eb e e nd i s c h a r g e d a r t i f i c i a l l yi n t o l a k e s l a k e se u t r o p h i c a t i o nh a sb e c o m e as e r i o u se n v i r o n m e n t a l p r o b l e mq u i c k l y t h ep r o p o r t i o no fe u t r o p h i c l a k e sh a si n c r e a s e dt o8 8 6 i nc h i n a l a k ei san a t u r a le c o l o g i c a ls y s t e ma n dp l a y s am a jo rr o l eb o t hi na c c e p t i n ga n d p u r i f y i n gt e r r e s t r i a lp o l l u t i o na n di n t h eg l o b a ln i t r o g e nc y c l i n g r e s e a r c h i nt h e n i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f y i n g ，a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o np r o c e s s e s a n dm o r g a n l c n i t r o g e nv e r t i c a ld i s t r i b u t i o nr u l ei ns e d i m e n t s w i l lb ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et of u r t h e r s t u d vo nn i t r o g e np o l l u t i o nr e m e d i a t i o na n dn i t r o g e nc y c l i n gi nl a k ee c o s y s t e m s i nt h i ss t u d y , l a k ed o n g h u ，l a k en a n h ua n db r e e d i n gp o n d ss u r r o u n d i n gl a k e n a n l l ui nw u h a nc i t yw e r ec h o o s e da sr e s e a r c ho b je c t t h en i t r a t i o nr a t ei nt h es t u d y a r e ah a sb e e nd e t e r m i n e db yu s i n ga c e t y l e n ei n h i b i t i o nt e c h n i q u ea n d s t a t i cc u l t u r ei n l a b o r a t o r y a tt h es a m et i m e ，w ea l s o d e t e r m i n et h ed e n i t r i f y i n gr a t ea n da n a e r o b i c a m mo n i u mo x i d a t i o nr a t eb yu s i n g ”ni s o t o p et r a c e rm e t h o da n ds t a t i c c u l t u r ei n l a b o r a t o r y t h e s e a s o n a la n d s p a t i a lc h a n g e c h a r a c t e r i s t i c so fn i t r i f i c a t i o n ， d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o nh a v e b e e nr e a c h e dt h r o u g h s e a s o n a ls a m p l i n gf r o mt h es t u d ya r e a o nt h eb a s eo ft h ea b o v ew o r k ，t h em a i n e n v i r o m e n t a lf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h en i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i c a m m o n i u mo x i d a t i o np r o c e s s e sh a v eb e e na n a l y z e d t h em a i nr e s u l t so fr e s e a r c ha r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h en i t r i f i c a t i o nr a t eo f s e d i m e n ti nt h el a k ed o n g h ui sf r o m1 8 0 1t o1 0 6 3 1 g m o l m - 2 h - 1 ，a n di t sa n n u a la v e r a g ev a l u ei s6 0 5 4g m o l m - 2 0 h - 1a n di nl a k en a n h u r a 】 1 9 e sf r o m1 2 8 2 1t o4 0 4 2 9g m o l m - 2 0 h - 1 ，a n d i t sa n n u a lm e a ni s2 1 4 1 2 l l m o l m - 2 0 h - 1 f o ra q u a c u l t u r ep o n d s ，t h en i t r i f i c a t i o nr a t ec h a n g e sf r o m2 2 9 8t o 9 8 3 3p m o l m - 2 0 h - l ，a n di t sa n n u a la v e r a g ev a l u ei s6 4 7 7g m o l m - z o h 一 f 2 、lt h ed e n i t r i f i c a t i o nr a t eo fs e d i m e n ti nt h el a k ed o n g h ui s f r o m4 0 5 0t o 2 2 0 1 3g m o l m - 2 0 h - 1 ，a n di t sa n n u a la v e r a g ev a l u ei s9 0 6 4p m o l m - 2 0 h - 1a n di nl a k e n a n h ur a n g e sf r o m1 2 5 5 1t o2 9 0 3 0g m o l m - 2 0 h - 1 ，a n di t s a n n u a lm e a ni s1 9 3 5 6 l l m o 卜m - 2 0 h 一f o rt h ea q u a c u l t u r ep o n d s ，t h i sv a l u ec h a n g e sf r o m3 35 5 t o10 7 5 1 u m 0 1 m 。2 n 1 ，a n di t s a n n u a la v e r a g ev a l u ei s6 9 6 4g m o l m - 2 h - 1 f o rd i f f e r e n t i i i d e n i t r i f l c a t i o nw a y s ，t h ec o u p l i n gn i t r a t i o n d e n i t r i f i c a t i o no fd e n i t r i f i c a t i o ni nl a k e d o n g h u ，l a k en a n h ua n db r e e d i n gp o n d sa c c o u n tf o r 8 6 3 ，7 8 1 锄d8 8 1 r e s p e c t i v e l y , a n dt h eu n c o u p l i n gn i t r a t i o n - d e n i t r i f i c a t i o no fd e n i t r i f i c a t i o na c c o u n tf o r 1 3 7 ，2 1 9 a n d1 1 9 r e s p e c t i v e l y ( 3 ) t h ea n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o nr a t eo fs e d i m e n ti nt h el a k ed o n g h ui s f r o m5 0 3t o3 3 3 8i - t m o l m - 2 0 h ，a n di t sa n n u a la v e r a g ev a l u ei s 1 2 7 0 肚m o l o m - 2 h 1 a n di nl a k en a n h ui nl a k en a n h ur a n g e sf r o m10 5 0t o3 5 3 2p l m o l m 2 h a n di t s a n n u a lm e a ni s17 7 1 p m o l m - 2 0 h f o ra q u a c u l t u r ep o n d s ，t h i sv a l u ec h a n g e s 舶m 7 4 6t o1 2 3 9p m o l m - 2 h ，a n di t sa n n u a la v e r a g ev a l u ei s9 9 8p m o l m 。2 h t h en ， o u t p u to ft o t a lb ya n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o np r o c e s s e si n l a k ed o n g h u ，l a k e n a n h ua n db r e e d i n gp o n d sa c c o u n tf o r1 2 1 ，8 2 a n d1 3 2 r e ：；p e c t i v e l v ( 4 ) t h en i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i ca m m o n i u r 】ao x i d a t i o ni ns t u d y a r e ah a v e c l e a r l y s e a s o n a la n d s p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c s t h en i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o ni ns e d i m e n ta r es t r o n g e s ti ns u m m e r , s e c o n di na u t u m n ，t h i r di nw i n t e r a n ds m a l l e s ti ns p r i n g c o m p a r e dw i t hn i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o n ，t h e s e a s o n a l c h a r a c t e r i s t i co fa n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o ni s s t r o n g e s ti ns u m m e r , s e c o n di n a u t u m n ，a n ds m a l l e s ti ns p r i n ga n dw i n t e r i nt h es a m es e a s o n ，n i t r i f i c a t i o n ， d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o ni s h i g h e ra p p a r e n t l yi ns e w a g e o u t f a l lt h a no t h e ra r e a ，w i t hac l e a rd e c r e a s ea l o n gt h ef l o wo rd i f f u s i o np a t h ( 5 ) t h et e m p e r a t u r e ，n u t r i e n t s ，a m m o n i ac o n c e n t r a t i o ni no v e r l y i n gw a t e ra n d o r g a n i cm a t t e rc o n t e n ti ns e d i m e n ta r et h em a i ne n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r sf o r n i t r i f i c a t i o n ，d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o ni nt h es t u d ya r e a a n d t h e i rd e g r e e so fi n f l u e n c ea c h i e v es i g n i f i c a n c e l e v e l o 0 5 ) i na d d i t i o n ，t h e d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o na r er e s t r i c t e db yd i s s o l v e do x y g e n ， n i t r i t ec o n c e n t r a t i o ni no v e r l y i n gw a t e ra n di n t e r s t i t i a l w a t e r , r i t ht h e i rd e g r e eo f i n f l u e n c ea c h i e v i n gs i g n i f i c a n c el e v e l 2 8 例3 0 n 2 0 - 一2 引2 粥o n 2 1 4 1 5 n o 一1 4 1 5 n 0 2 。_ 1 4 1 5 n o 通过往沉积物中加15 n 0 3 培养，加入的1 5 n 0 3 和原有的1 4 n 0 3 - 与1 4 n h 4 + 经过厌 氧氨氧化作用后转化只生成2 8 n 2 、2 9 n 2 ，过程如下： 1 4 1 5 n 0 3 。_ 1 4 1 5 n 0 2 沁2 8 2 9 1 n h 4 十 根据培养后产物3 0 n 2 的不同可分别计算出反硝化、厌氧氨氧化速率。 华中农业大学2 0 1 2 届硕士研究生学位论文 ( 3 ) n 2 通量法( f l u xm e t h o do fn 2p r o d u c t i o n ) n 2 通量法是在密闭的培养器皿中对沉积物进行长时间恒温的培养，根据生成 的n 2 计算沉积物反硝化速率的方法。它的优点就是不需要任何的抑制剂、测得的 反硝化速率包括了硝化与反硝化的耦合作用，比较接近真实值。缺点就是沉积物 反硝化产生的n 2 的量较少，沉积物和间隙水的n 2 背景浓度相对来说比较高，容易 对测定造成较大的干扰，所以样品需要经过严格的预处理来减小沉积物和间隙水 中的n 2 背景浓度。后来s e i t z i n g e r 和e y r e 等通过往培养的沉积物中注入一定量h e 、 c 0 2 、0 2 来减小沉积物和间隙水中的n 2 背景浓度和维持沉积物的性状，该方法通 过对培养过程中的厌氧环境的改进，在培养时间上可以大大的缩短，但是所测得 的反硝化速率较1 5 n n 位素示踪法测定的偏高( s e i t z i n g e re ta 1 ，1 9 9 3 ；e y r ee ta 1 ， 2 0 0 2 ) 。 ( 4 ) 质量平衡法( m a s s b a l a n c ea p p r o a c h ) n 质量平衡法可表示为：输入输出储存= 剩余。系统总的氮素输入量扣除以 蒸发、渗出、流出等形式氮素输出量和反硝化除去的剩余氮素量。它的特点是所 得反硝化速率只能反映年度平均值而不能分辨时空差异，适合应用于更大的系统 如全湖反硝化的估算，结果可信度低( t h a m d r u p & d a l s g a a r d ，2 0 0 2 ) 。 ( 5 ) 硝酸盐消耗法( d i s a p p e a r a n c eo f n i t r a t e ) 根据不同时间段培养水中硝酸盐的减少量为该段时间内反硝化的量，该方法 考虑硝酸盐在培养中只发生了反硝化作用的理想单一过程，而在实际转化过程中 硝酸盐还有可能转化为氨氮，所以硝酸盐消耗法测定的结果并不能反应真实值， 通常会偏高( s c h u b e r te ta 1 ，2 0 0 6 ) 。 ( 6 ) 其他测定方法( d i s a p p e a r a n c eo f n i t r a t e ) 微电极方法：用0 2 n 2 0 微电极与乙炔抑制剂的联用或根据硝酸盐微电极测定 的硝酸盐剖面测算脱氮速率、氮气生成方法等。 孔隙水剖面的成岩模式法：计算孔隙水的硝态氮进入沉积物的迁移速率，也 只考虑硝酸盐只发生反硝化而没转化为氨氮，测定结果较真实值偏高。 1 3 2 厌氧氨氧化速率测定方法研究现状 厌氧氨氧化反应是以n 0 2 - 为电子受体，将n h 4 + 氧化成n 2 的过程，反应计量 湖泊沉积物氮素释放特征研究 式如下： n h 4 + + n 0 3 。_ n 2 + 2 i - 1 2 0a g o = 3 5 8k j m o l 目前测定厌氧氨氧化速率的方法主要是稳定同位素示踪法( t h a m d r u p & d a l s g a a r d ，2 0 0 0 ；t h a m d r u p & d a l s g a a r d ，2 0 0 2 ) ：该方法分3 组设计1 5 n h 4 + 、 1 5 n h 4 + + 1 a n 0 3 。、1 5 n 0 3 。只加1 5 n h 4 + 是证明经过培养后n 0 3 被消耗，除0 2 、n 0 3 、 n 0 2 之外是否存在其他物质参与氨的氧化过程；加1 5 n h 4 + + 1 4 n 0 3 - 培养目的是证明 培养体系中存在厌氧氨氧化反应，实验中得到2 9 n 2 来自于”n h 4 + 中的1 5 n 和1 4 n 0 3 中的1 4 n 即可证明；但是n 0 3 - 在反硝化过程中容易被还原成n 0 2 。，为了证明与n i - h + 发生厌氧氨氧化过程的是n 0 3 还是n 0 2 。，实验设计只加”n 0 3 培养所得到同位素 标记的2 9 n 2 、3 0 n 2 产物中，只有反硝化过程才产生3 0 n 2 ，根据3 0 n 2 量计算出反硝化 产生2 的量，并将它从总的培养产物2 礼中扣除，根据剩余2 k 就可以计算出 厌氧氨氧化速率。 本论文将用乙炔抑制法测定沉积物硝化速率和同位素示踪法测定反硝化和 厌氧氨氧化速率，并且区分d ”d w 各自在反硝化脱氮中的作用，明确厌氧氨氧 化脱氮在湖泊生态系统脱氮中所占的比例。 1 4 反硝化、厌氧氨氧化的脱氮研究现状 湖泊生态系统中生物脱氮作用主要为反硝化和厌氧氨氧化两个过程，多发生 于沉积物的还原环境中发生的。近年来，随着对脱氮研究的发展，对其机制提出 了多种假设，如耦合硝化一反硝化过程( c o u p l e dn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 和 非耦合硝化一反硝化过程( u n c o u p l e dn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ) 。前者脱氮过 程所需的硝酸盐主要是沉积物中的氨氮经过硝化作用生成，而后者所需硝酸盐主 要来自于上覆水。 1 4 1 反硝化的脱氮研究 在早先海洋生态系统的研究中，沉积物水界面上进行的反硝化作用是一个 重要的脱氮过程。p o r tp h i l l i p 海湾沉积物反硝化损失的氮约占整个水体氮的6 3 ( b e r e l s o ne ta 1 ，1 9 9 8 ) 。随着研究领域的不断扩大，近年来对淡水生态系统的 研究也在不断的深入。太湖梅梁湾的上覆水n 0 3 浓度与非耦合硝化一反硝化 ( d w ) 显著相关，而硝酸盐释放速率对d w 的影响并不显著；梅梁湾北部河口区 9 华中农业大学2 0 1 2 届硕士研究生学位论文 内耦合硝化一反硝化( d n ) 占总脱氮速率的比值在3 9 5 3 左右，开敞湖区为 6 9 9 6 ，d w 占总脱氮速率的比值在4 7 2 1 ，开敞湖区为1 9 8 5 ( 徐徽等，2 0 0 9 ) 。 也有研究者计算了进、出太湖的营养元素产生量，并据此可计算求出水土界面反 硝化作用清除的氮约占太湖外源性输入氮的2 0 3 - 7 9 2 ，是年平均净入湖氮 总量的2 7 0 - - - - 1 0 5 3 ( 孙顺才和黄漪平，1 9 9 3 ) ；美国o k e e c h o b e e 湖和瑞士 b a l d e g g 湖由反硝化作用清除的氮比值分别为9 2 3 和0 2 ( m e s s e r & b r e z o n i k ，1 9 8 3 ；m e n g i se ta 1 ，1 9 9 6 ) 。其他淡水系统中反硝化脱氮对营养氮素的 去除也相当突出，我国长江口表层沉积物反硝化作用去除的无机氮每天为 6 4 7 1 0 5k g n ，是长江无机氮日输入总量的1 3 8 ( 李佳霖，2 0 0 9 ) 。黄河口表层 沉积物的反硝化作用每天去除的无机氮约为4 1 0 x 1 0 4 k g n ，是黄河无机氮日输入 总量的11 2 2 。河口通常可清除1 0 - - 6 0 的氮负荷，反硝化脱氮在其中起到了 非常重要的作用。s e r t i z i n g e r 等认为养殖水体通过反硝化作用的氮损失占其总输 入的1 - - 3 6 ( s e i t z i n g e re ta 1 ，1 9 9 3 ) 。硝酸盐可被生物固定或同化吸收而暂 时从水体中去除，但生物残体最终仍通过矿化作用把硝酸盐返回到环境中去。反 硝化作用能把硝酸盐彻底的从自然环境中去除，因而被公认为是去除湖泊氮素的 最佳途径。 1 4 2 厌氧氨氧化的脱氮研究 海洋厌氧氨氧化反应已进行十余年研究，但对于该反应产生的氮气量占海洋 氮气总产生量的比值还没有明确结论，这一比值估计在3 0 5 0 之间( w a r d ， 2 0 0 3 ) ，甚至达到5 0 以上，比反硝化脱氮量更大( k u e n e n ，2 0 0 8 ) 。应用1 5 n 标记 的硝酸盐和氨对海底沉积物进行的培养实验发现，厌氧氨氧化作用产生n 2 导致 的氮损失占全部氮损失的2 4 , - - - 6 7 ( t h a m d r u p & d a l s g a a r d ，2 0 0 2 ) 。厌氧氨氧化 是海洋氮损失的主要原因，在黑海和g u l f od u l c e 海的好氧与缺氧交界通过厌氧 氨氧化作用而损失的氮达2 0 4 0 ( h a m e r s l e y ，2 0 0 7 ) 。淡水系统的研究成果很 少，还不能形成较全面的认识，不过坦桑尼亚坦噶尼喀湖的研究表明，约有1 3 的氮气损失是由该反应引起( k a r t a le ta 1 ，2 0 0 8 ) 。不同地点的生境条件对厌氧氨 氧化的除去氮素能力也有明显的影响，引起的氮素损失占总损失量比值也在 0 - - 一一6 7 的较大范围内波动( f r a n c i se ta 1 ，2 0 0 7 ) 。与反硝化作用相比，浅水中厌 氧氨氧化对氮素的去除所占比重较小，但深水中情况刚好相反，但厌氧氨氧化的 绝对速率与水深并不相关( d a l s g a a r de ta 1 ，2 0 0 5 ) 。在海洋最低含氧带( o x y g e n m i n i m u mz o n e ) 中还发现反硝化形成的亚硝酸盐被厌氧氨氧化消耗殆尽，反硝化 1 0 湖泊沉积物氮索释放特征研究 后续过程产生的氮气几乎可以忽略不计( p e n t o ne ta 1 ，2 0 0 6 ；h a m e r s l e ye ta 1 ， 2 0 0 7 ) ，厌氧氨氧化脱氮目前已被认为是重要的脱氮途径。 1 5 影响反硝化、厌氧氨氧化脱氮的环境因子 在自然条件下，反硝化、厌氧氨氧化脱氮过程是一个非常复杂的过程，与周 围环境因素的变化联系紧密，影响其过程的环境因素有众多，其中主要的环境因 素如下： 1 5 1 温度对反硝化、厌氧氨氧化脱氮的影响 硝化、反硝化和厌氧氨氧化作用都是细菌酶促反应，其速率受温度的影响。 温度对硝化细菌活性影响比反硝化细菌活性大，它是通过影响硝化作用来间接影 响反硝化作用。在反硝化微生物活性温度范围内，反硝化速率与温度呈显著性正 相关( t u o m i n e ne ta 1 ，1 9 9 8 ；l i v i n g s t o n ee ta 1 ，2 0 0 0 ) 。z i r n r n e r r n a n 和b e n n e r 发现 美国德克萨斯湾沉积物反硝化速率最高值出现在河口上游的夏季，温度影响程度 分别为5 2 ( z i m m e r m a n & b e n n e r , 1 9 9 4 ) 。在自然环境中厌氧氨氧化细菌表现 出较强的温度适应范围，从2 8 0 均有发现。对于不同生态系统中厌氧氨氧化 种群的适宜温度要符合当地自然环境，多数在1 5 2 5 ，若温度芝2 5 ，厌氧氨 氧化反应速率急剧下降( t a l s g a a r d & t h a m d r u p ，2 0 0 5 ) ，达n 3 7 。c ，则反应停止。 1 5 2 p h 对反硝化、厌氧氨氧化脱氮的影响 p h 也是影响氮素在自然条件下循环转化的一个比较重要的环境因素，虽然 目前的研究还没有发现环境中的p h 与微生物脱氮呈现显著性相关性，但是当p h 在9 5 以上，硝化细菌受到抑制，而p h 在6 o 以下时亚硝化细菌被抑制，明显地降 低反硝化速率，反硝化作用最佳p h 值范围是7 0 8 0 。 1 5 3 溶解氧对反硝化、厌氧氨氧化脱氮的影响 研究表明硝化、反硝化集中发生在具有一定氧分压的富营养化沉积物中，在 这参与每一步氮素转化过程中酶的合成都会受到溶解氧的制约( s i r i v e n d h i n & g r a y ，2 0 0 6 ) 。反硝化脱氮是一个厌氧过程，溶解氧会在微生物细胞的新陈代谢 过程中与n o r 竞争电子，反硝化细菌只有在氧气浓度低于0 2m m o l l 时，才会转 向厌氧呼吸，用n 0 3 作为电子受体( t e f i le ta 1 ，1 9 9 9 ) ，高浓度的溶解氧会抑制 这一过程的发生。溶解氧浓度过低会抑制硝化微生物的繁殖和活性，又将使硝化 华中农业大学2 0 1 2 届硕士研究生学位论文 过程受阻，进而影响其为反硝化提供物质源( 胡玲珍和陈振楼，2 0 0 3 ) 。厌氧氨 氧化也存在氧限制情况，对于废水处理装置，溶解氧浓度小于1 1 m 都足以完全 抑制一个反应容器中的厌氧氨氧化活动( s t r o u se ta 1 ，1 9 9 7 ) ；在自然环境中， 当溶解氧浓度高至5m g l 。1 时，厌氧氨氧化活性被完全抑制( d a l s g a a r de ta 1 ， 2 0 0 3 ) 。 1 5 4 硝酸盐对反硝化、厌氧氨氧化脱氮的影响 沉积物反硝化反应遵循饱和动力学规律，反硝化作用可以随n 0 3 浓度的升高 而增大，直到达到饱和，其饱和浓度大于2 0 0 4 0 0g m ( o g i l v i ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 同时随n 0 3 浓度的增加，氨化细菌的活力不如反硝化细菌的活力，发生氨化作用 转化为n h 4 + 的n 0 3 只占很少一部分，则反硝化反应为主要反应过程。对于厌氧 氨氧化过程，硝酸盐的可用性是决定厌氧氨氧化进行的先决条件。n 0 3 还原将为 厌氧氨氧化菌提供n 0 2 。，当n 0 3 还原率低于n 0 3 矿化率的2 3 倍时，n 0 3 - 还原将 限制厌氧氨氧化的进行( d a l s g a a r d & b a k ，1 9 9 4 ) 。 1 5 5 有机质对反硝化、厌氧氨氧化脱氮的影响 大多数反硝化菌都是异养微生物，有机质是必不可少的物质。反硝化理论上 需要c ：n = i 2 5 ：1 ( m o l m 0 1 ) ( 吴耀国，2 0 0 2 ) ，在低c ：n ( 4 3 5 ) 的地 方反硝化过程为主；而在有机质含量高的地方，硝酸盐氨化占硝酸盐还原总量的 5 0 ，硝酸盐氨化过程为主。就目前对湖泊的研究表明，富营养化的湖泊沉积物 反硝化速率比贫营养或中营养化湖泊都要大，因而有机质的含量被认为是影响反 硝化的主要因子。厌氧氨氧化过程中，高浓度的有机质将与氨氮竞争电子受体， 且往往有机质更易成为电子供体，从而使厌氧氨氧化的脱氮效率降低。 1 5 6 其他环境因素对反硝化、厌氧氨氧化脱氮的影响 水体盐度：盐度主要是影响硝化、反硝化菌的活性，盐度在1 1 0 范围之间 硝反、硝化速率随盐度升高而变小，影响最为明显。在高盐度下反硝化细菌呈现 低活性，影响不明显( h e r b e r t ，1 9 9 9 ) 。 生物作用：水体中藻类的生长会消耗水中溶解氧、同时底栖微藻还会同硝化 作用竞争n h 4 + 影响硝化过程，导致沉积物中可利用n 0 3 的降低，减小反硝化速 率。而e r i k s s o n 和w e i s n e r 在研究中认为大型的水生植物可能为反硝化细菌提供了 场所而增加了反硝化作用。另外底栖动物对硝化、反硝化速率也有影响，其影响 1 2 湖泊沉积物氮素释放特征研究 机制非常复杂( e r i k s s o n & w e i s n e r ，1 9 9 9 ) 。 另外重金属( 如：c d ，c u ，z n ) 含量，残留杀虫剂和其他有机化合物( 如： p c b s ) 等都会影响反硝化微生物的活性，对反硝化反应产生抑制。在一些研究 也提至i j n h 4 + 矿化速率过高导致沉积物n h 4 + 含量偏低，限制了厌氧氨氧化过程 ( d a l s g a a r de ta 1 ，2 0 0 3 ) 。 1 6 研究目的与意义、内容、技术路线 1 6 1 研究目的与意义 硝化作用为反硝化作用提供n 0 3 。，成为硝化作用与反硝化作用的纽带，而正 是因为该纽带的作用，这两个过程可能耦合。因此，在氮循环中，硝化作用是连 接生物固氮和厌氧反硝化作用的一个重要环节。反硝化作用是水体生态系统中的 沉积物、水体等氮库中氮转化成气态归还到大气圈中的主要途径，是全球氮循环 中的关键环节。反硝化被认为是去除污水或者富营养化环境中氮素的最好手段。 因此，研究硝化反硝化过程对于缓解湖泊水体的富营养化、估算氮循环通量研究 全球气候变化都具有重要的意义。 在上世纪末发现的厌氧氨氧化作用已被认为是水体环境去除氮素的另一个 重要方式，研究发现在海洋环境中由此过程产生的氮气量占海洋产生氮气总量的 3 0 - 5 0 之间( w i t z e l & o v e r b e c k ，1 9 7 9 ) ，这一发现使人们对海洋氮循环的有 了新的认识。最近的研究表明众多陆地水生系统，特别是淡水湖泊中也存在着厌 氧氨氧化作用( s c h u b e r te ta 1 ，2 0 0 6 ) 。湖泊中的氮氧化物及氨氮含量比海洋丰 富得多，且富营养化湖泊普遍存在厌氧条件，厌氧氨氧化在湖泊生态系统中可能 发挥着更重要的作用，对其反应活性和机理的进一步探索，将更有利于深入了解 陆地水体氮素循环过程，对于水体氮素污染治理也具有显著的现实意义。 1 6 2 研究内容 选取武汉市东湖、南湖及南湖周边样点进行全年的沉积物和水样的采集，测 定样点的基本水质指标和沉积物指标，对采集的沉积物样品取混合样品，根据所 测的现场数据条件进行模拟培养实验。主要的研究内容有： ( 1 ) n h 4 + 、n 0 2 、n 0 3 - 随深度的梯度分布规律：取表层2 0c m 沉积物样品进 行分层，每2c m 为一层，测定其间隙水中的n h 4 + 、n 0 2 。、n 0 3 浓度，结合硝化、 反硝化、厌氧氨氧化之间氮素的转化，探索其垂直变化规律。 华中农业大学2 0 1 2 届硕士研究生学位论文 ( 2 ) 模拟培养测定硝化反应速率：通过采用乙炔抑制法静态培养，测定培 养样与空白样的n h 4 + 的累积浓度差值计算得到硝化速率，全年采样培养得出硝 化反应的季节性时间变化和空间变化，结合环境因子分析主导湖泊硝化变化的生 态因子。 ( 3 ) 模拟培养测定反硝化反应速率：通过采用同位素示踪法静态培养，测 定培养样3 产量计算得到反硝化速率，全年采样培养得出硝化反应的季节性时 间变化和空间变化，并且计算反硝化过程中耦合硝化一反硝化、非耦合硝化一反 硝化各自的贡献比例，结合环境因子分析主导湖泊反硝化变化的生态因子。 ( 4 ) 模拟培养测定厌氧氨氧化反应速率：通过采用同位素示踪法静态培养， 测定2 9 n 2 、3 0 n 2 产量计算厌氧氨氧化反应速率，全年采样培养得出硝化反应的季 节性时间变化和空间变化，明确厌氧氨氧化脱氮对湖泊脱氮的贡献，结合环境因 子和厌氧氨氧化菌数量，分析主导湖泊厌氧氨氧化变化的生态因子。 1 6 3 技术路线 氮在湖泊生态系统内部的迁移转化是一个非常复杂的过程，在这个过程中能 够减轻沉积物和水体氮负荷，将氮转化成氮气脱离湖泊生态系统是反硝化、厌氧 氨氧化过程。所以本论文针对这一重要特点，以静态模拟培养，重点研究不同时 空武汉东湖、南湖沉积物的脱氮情况以及影响该过程的主要环境因素，研究技术 路线见图1 3 。 1 4 湖泊沉积物氮素释放特征研究 图1 3 技术路线图 f i g 1 3t e c h n o l o g yr o a d m a po ft h i sd i s s e r t a t i o n 华中农业大学2 0 1 2 届硕士研究生学位论文 2 湖泊水体及沉积物季节性变化 水体和沉积物基本性质对氮转化影响明显，水环境中的温度、d o 、p h 、n 0 x 以及沉积物中有机质等都是影响氮循环转化中各过程的重要因子，氮转化过程中各 个中间反应是不同影响因子综合作用的结果( o g i l v i ee ta l ，1 9 9 7 ) 。不同季节水体和 沉积物理化性质差别明显，起主导作用的影响因子也存在差异，对氮素循环转化影 响程度也不同。所以，研究湖泊水体及沉积物季节性变化对本文后续沉积物硝化、 反硝化和厌氧氨氧化时空变化的研究有着重要意义。 2 1 研究区域 经过对武汉市内湖泊的实地调研，选定武汉市内两大浅水城市湖泊东