Nitrate reduction pathways in the presence of excess nitrogen in a shallow eutrophic estuary

淺富營養化河口存在過量氮的時硝酸鹽的還原途徑

來源：Environmental Pollution（2018年，卷238，頁599-606）

 

論文概述

研究了美國阿拉巴馬州Weeks Bay（一個淺水富營養化河口）中硝酸鹽還原途徑的動態。研究通過野外采樣和實驗室實驗，量化了反硝化（denitrification）和異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）的速率，重點評估了在過量氮輸入下，硫化沉積物如何促進氮保留而非去除。論文強調了DNRA在富營養化河口中的主導作用及其對生態系統管理的啟示。

 

1. 摘要核心內容

摘要指出，河口富營養化源于人為營養輸入增加，生態系統恢復部分依賴于氮的去除或保留過程。反硝化（將硝酸鹽還原為氮氣）和DNRA（將硝酸鹽還原為銨）是關鍵途徑。在Weeks Bay這個淺水微潮河口，假設硫化沉積物中DNRA速率會超過反硝化。研究結果支持這一假設：DNRA平均速率為44.4 ± 5.5 μmol N m?2 h?1，遠高于原位反硝化（0.9 ± 2.3 μmol N m?2 h?1）。即使在硝酸鹽豐富條件下，DNRA也占主導（占硝酸鹽還原的66%）。DNRA向水柱提供生物可利用氮，相當于15%的氮輸入保留量，是河口氮預算的重要組成部分。通過保留氮，DNRA支持初級生產但加劇富營養化，導致缺氧、有害藻華和魚類死亡。未來管理必須減少營養輸入，否則DNRA的氮保留將維持不良生態系統狀態。

 

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化硝酸鹽還原途徑：在富營養化河口Weeks Bay中，測量反硝化和DNRA的速率，評估其相對重要性。

測試假設：在硫化沉積物中，DNRA速率超過反硝化，且即使在過量硝酸鹽下也占主導。

評估氮保留的影響：理解DNRA如何貢獻于氮預算和初級生產，加劇富營養化。

 

提供管理見解：為河口恢復策略提供科學依據，強調減少營養輸入的必要性。

 

3. 研究思路

研究采用了野外采樣與實驗室實驗相結合的方法：

 

站點選擇與采樣：在Weeks Bay的兩個站點（Mouth和MidBay；圖1）進行季度采樣（2011年12月至2013年10月），采集沉積物核心和水樣。

 

環境參數測量：使用YSI多參數儀測量水溫、鹽度、pH和溶解氧（DO）；采集水樣分析營養鹽（NO?、NH?、PO?）；沉積物分析包括粒度、總碳氮含量和葉綠素a（圖2）。

 

過程速率測量：

 

反硝化和DNRA：使用流動系統添加1?NO? tracer，通過同位素配對技術（IPT）和膜入口質譜儀（MIMS）測量N?通量，計算反硝化速率；通過1?NH??生產測量DNRA速率（圖4）。

 

微電極剖面：使用丹麥Unisense微電極（Ox-500和H?S-50）測量沉積物O?和H?S的垂直剖面（1mm分辨率；圖3）。

 

數據分析：使用統計檢驗（ANOVA）和主成分分析（PCA；表2）識別影響反硝化和DNRA的關鍵環境因素。

 

4. 測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其具體來源和科學意義如下：

 

環境參數數據（來自 圖2和文本）：

 

數據：水溫（季節變化10°C）、鹽度（最低1.6）、營養鹽濃度（NO?: 0.6-16.8 μM, NH?: 0.3-3.4 μM, PO?: <0.2 μM）、沉積物C:N比（平均15.0）。

 

研究意義：表征系統富營養化狀態，高N:P比（118:1）表明氮過剩，為過程速率提供背景。鹽度波動反映淡水輸入，影響營養鹽動態。

 

沉積物O?和H?S剖面（來自 圖3）：

 

數據：O?在表層1-3mm內消耗殆盡；H?S濃度高（高達57.2 μM），尤其在溫暖月份。

 

研究意義：證實沉積物硫化且厭氧，直接支持DNRA優勢假設，因為H?S抑制反硝化并可能作為DNRA的電子供體。

 

反硝化和DNRA速率（來自 圖4和 表1）：

 

數據：原位反硝化速率低（平均0.9 μmol N m?2 h?1）；DNRA速率高（平均44.4 μmol N m?2 h?1）；在過量NO?下，DNRA占硝酸鹽還原的66%（表1）。

 

研究意義：DNRA是主要硝酸鹽還原途徑，導致氮保留而非去除，加劇富營養化。速率數據直接驗證假設，并顯示DNRA對氮預算的貢獻（相當于15%保留氮輸入）。

 

PCA分析（來自 表2）：

 

數據：PC1與營養鹽和鹽度相關（35%方差）；PC2與溫度、H?S和DO相關（23%方差）。

 

研究意義：識別H?S和溫度作為關鍵驅動因子，支持硫化條件促進DNRA。反硝化容量與PC1負相關，表明營養鹽可用性影響反硝化但不足以克服硫化抑制。

 

5. 主要結論

論文得出以下核心結論：

 

DNRA主導硝酸鹽還原：在Weeks Bay的硫化沉積物中，DNRA速率顯著超過反硝化，即使在過量硝酸鹽下也占主導（66%貢獻）。

氮保留加劇富營養化：DNRA保留氮作為NH??，支持初級生產但導致缺氧、藻華和魚類死亡，阻礙生態系統恢復。

環境驅動因子：硫化條件（H?S）和高沉積物C:N比（15:1）促進DNRA，而反硝化受抑制。

 

管理啟示：必須減少流域營養輸入（尤其是氮），以降低DNRA的氮保留效應，緩解富營養化。

 

6. 詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統（Ox-500氧電極和H?S-50硫化氫電極）被用于關鍵的原位測量，這些數據在方法部分（2.4節）描述并生成圖3的剖面。

測量數據：Unisense微電極以高空間分辨率（1mm間隔）測量了沉積物-水界面附近的溶解氧（O?）和硫化氫（H?S）垂直濃度剖面，覆蓋表層1cm沉積物。數據顯示O?快速消耗（通常在1-3mm內降至0），而H?S濃度高（峰值達57.2 μM），表明強還原條件。

詳細研究意義解讀：

 

直接證實硫化沉積物條件：Unisense電極提供的高分辨率H?S數據是支持研究假設的關鍵證據。H?S濃度高（圖3bottom panel）表明沉積物是硫化的，這已知會抑制反硝化（通過干擾酶活性或競爭電子供體）并促進DNRA（因為硫化物可作為化能自養DNRA的電子供體）。這解釋了為什么DNRA速率遠高于反硝化。

評估氧可用性和厭氧程度：O?剖面（圖3top panel）顯示表層快速缺氧，證實厭氧條件盛行，適合厭氧過程如DNRA和反硝化。但O?的快速消耗限制了硝化作用（硝酸鹽來源），進一步抑制反硝化而有利于DNRA。

揭示季節動態：H?S濃度在溫暖月份更高，與溫度正相關（PCA的PC2），表明變暖增強硫化作用，從而強化DNRA優勢。這提供了機制性見解：氣候變暖可能通過增強硫化來加劇氮保留。

支持過程速率解釋：微電極數據與反硝化/DNRA速率（圖4）結合，顯示H?S高的站點（如MidBay）DNRA速率更高，直接 linking 環境條件與生物地球化學響應。沒有這些剖面，無法準確解釋為什么反硝化低而DNRA高。

管理意義：持續硫化條件（由Unisense數據驗證）表明，除非減少營養輸入，否則DNRA驅動的氮保留將持續，阻礙河口恢復。這強調了監測沉積物化學的必要性。

 

技術優勢：Unisense微電極的毫米級分辨率和實時測量能力提供了精確的化學梯度數據，避免了傳統采樣擾動。這種原位傳感是理解沉積物-水界面過程的黃金標準，增強了研究的可靠性。

 

綜上所述，Unisense微電極在本研究中扮演了 “沉積物化學狀態偵察器”的角色。其提供的高分辨率O?和H?S剖面不僅是描述性參數，更是驗證假設、解釋過程機制和指導管理決策的核心證據。沒有這些數據，研究無法建立硫化條件與DNRA優勢之間的因果鏈，結論的深度和說服力將顯著降低。這項工作突出了原位傳感技術在富營養化研究中的重要性，尤其對于揭示氮循環的調控因素。