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

長江口潮間帶沉積物固氮發生和對環境影響

來源：Hydrobiologia（2018年）819:217–230

 

論文總結

摘要核心內容

研究了兩種管棲底棲動物（端足類Corophium insidiosum和搖蚊幼蟲Chironomus plumosus）對富營養化河口沉積物中氮循環過程（硝化和反硝化）的物種特異性影響。通過結合過程特異性測量和凈通量分析，研究發現：

 

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

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

環境驅動：沉積物特性（如有機質反應性）和動物生態特征（如耐低氧能力、棲居深度）共同調控氮轉化效率。

 

方法創新：采用1?NO??稀釋法和N?/Ar測量替代傳統同位素配對技術（IPT），避免了IPT在生物擾動沉積物中的均質化假設問題。

 

摘要強調，底棲動物通過物種特異性機制調控氮循環，其生態功能不能僅憑功能群分類簡單推斷。

研究目的

本研究旨在：

 

量化物種效應：對比兩種管棲動物（C. insidiosum和C. plumosus）對沉積物硝化和反硝化過程的差異化影響。

解析機制路徑：闡明生物擾動（如通風模式、棲居深度）如何通過改變氧化還原環境驅動氮轉化（如NH??氧化、NO??源匯）。

驗證方法可行性：開發基于1?NO??稀釋和N?/Ar測量的替代方案，克服IPT在異質沉積物中的局限。

 

評估生態意義：為河口氮管理提供物種水平的實證依據，指導富營養化控制策略。

 

研究思路

研究采用雙站點對比與多方法聯用策略：

 

站點與物種選擇：

 

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。

 

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

 

實驗設計：

 

實驗1（Curonian）：重建沉積物微宇宙，設置無動物、低豐度（600 ind m?2）、高豐度（1,800 ind m?2）處理，預培養3周穩定系統。

 

實驗2（Sacca di Goro）：直接采集原狀沉積物巖心（n=11），預培養3天。

 

測量方法：

 

凈通量測量：黑暗批次培養測量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）。

 

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

 

數據分析：ANOVA比較處理差異，線性回歸分析動物生物量與通量關系。

 

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：

1. 溶解氧與無機氮凈通量（來自 Table 1）

 

數據內容：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），反映其持續通風促進有機質礦化。

 

N?通量相似性：盡管機制不同，兩種沉積物N?通量無顯著差異，表明氮去除能力相當但路徑分化。

 

2. 硝化作用數據（來自 Table 1和 Fig. 3）

 

數據內容：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對硝化的促進效應是C. plumosus的15倍（斜率43.13 vs. 2.45 μmol g?1 h?1），源于其持續通風維持 burrow 氧化環境（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（來自 Fig. 1）

 

數據內容：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。

 

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

 

4. 動物生物量與通量關系（來自 Fig. 2和 Fig. 3）

 

數據內容：C. plumosus生物量與N?通量正相關（r2=0.65），C. insidiosum生物量與1?NO??外排正相關。

研究意義：

 

功能分化：C. plumosus直接增強水體NO??反硝化，C. insidiosum通過硝化間接驅動反硝化（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C. plumosus更有效）。

 

5. 沉積特性數據（來自文本結果）

 

數據內容：Corg（3.9-4.0%）、TN（0.34-0.50%）、顆粒尺寸（泥質為主）。

 

研究意義：高有機質負荷為反硝化提供碳源，但可能抑制硝化（通過O?競爭），凸顯動物調控的關鍵作用。

 

主要結論

 

物種特異性機制：C. insidiosum通過持續通風刺激硝化，C. plumosus通過間歇通風促進水體NO??反硝化。

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

環境依賴性：氮去除效率受有機質反應性、氧可用性及動物功能性狀共同調控。

 

方法優勢：1?NO??稀釋法與N?/Ar聯用有效規避IPT局限，適用于生物擾動沉積物。

 

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公司的氧微電極（OX-50）被用于監測上覆水溶解氧濃度（方法部分），雖未直接用于沉積物剖面測量，但其數據對實驗控制至關重要：

測量背景

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

研究意義解讀

 

過程控制保障：微電極實時數據確保孵化時間優化（Curonian 5h vs. Sacca di Goro 2h），防止O?耗盡導致反硝化抑制或NH??積累，保障通量測量準確性。

通風活動量化：O?消耗速率（Table 1）間接反映動物通風強度——C. insidiosum沉積物更高O?需求（-7,611 μmol m?2 h?1）印證其持續通風策略，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微環境氧化，避免Fe/S還原干擾氮轉化，為硝化提供必要O?條件。

 

方法學支撐：微電極數據驗證1?NO??稀釋法前提（O?充足促硝化），確保1?NO??外排準確反映硝化速率。

 

盡管Unisense電極未直接用于剖面掃描，其提供的高精度O?時序數據是實驗設計、過程控制和機制解析的基礎。沒有這些數據，研究無法確保孵化條件一致性或驗證通風策略差異，凸顯微電極在沉積物-水界面過程研究中的輔助價值。