近海沉积物中硝化-反硝化作用影响因素

近海沉积物中硝化-反硝化作用影响因素郑莉，陈志强大连水产学院 农业部海洋水产增养殖学与生物技术重点开放实验室，辽宁大连（116023）摘 要：硝化作用和反硝化作用是氮在地球化学循环过程中的主要反应之一.本文主要在国内外研究的基础上,综述了影响硝化作用和反硝化作用的因素, 溶解氧(DO ) 、温度、NH +4和NO 3-的浓度、pH 、溶解的二氧化碳浓度、盐度、底栖微动物区系的活性以及大型植物等。

关键词：沉积物;硝化作用；反硝化作用;影响因素1. 硝化作用-反硝化作用的研究意义氮在沉积物- 水体界面的迁移和交换是一个复杂的生物化学过程,硝化和反硝化作用是沉积物- 水界面氮迁移和交换的主要形式[1]。

近年来,人们越来越关注河口和近海生态系统营养水平,对河口和海洋营养盐的通量,交换速率,存在形态及形态转换进行了大量的研究.海洋中的氮是海洋初级生产力的限制因子，氮的吸收与再生释放对生源要素的生物地球化学循环有重要贡献。

N(N 2、NO 3-、NH 4+)从沉积物中向水体的迁移速率是有机氮矿化作用净速率的44%-66%。

从沉积物中NO 3-+ NH 4+的同量能提供浮游初级生产者30%-82%的氮的需要[2]。

而且海洋的硝化作用对海洋生物生产具有重要影响,它是氮循环过程中重要的反应之一,是NH 4+转化为NO 3-的唯一途径,它改变了氮循环的形式,并且与反硝化作用发生藕合作用, 减轻河口、海岸带地区因氮过多造成的富营养化，对高浓度氨起到解毒作用[3].因此,研究近海沉积物硝化作用-反硝化作用具有重要意义。

2. 影响硝化-反硝化作用的因子在亚硝化细菌和硝化细菌的作用下,氨被氧化成硝酸盐的过程称为细菌的硝化作用.包括两个反应阶段，第一阶段，在亚硝化细菌的作用下,氨被氧化成亚硝酸,即2NH 3 +3O 23HNO 2 + 3H 2O ，第二阶段,在硝化细菌作用下,亚硝酸被氧化为硝酸,即3HNO 2 + O 23HNO 3。

⎯⎯⎯→⎯亚硝化细菌⎯⎯⎯→⎯硝化细菌异养细菌在呼吸作用中利用硝酸盐为电子接受体, 将其还原为气态的N 2 和N 2O (脱氮) 或氨(硝酸盐氨化) 的过程称为反硝化[4]。

近海岸沉积物的硝化作用-反硝化作用是在多种复杂的环境因子诸如物理、化学、生物等因子控制下进行的.并且上覆水中DO 、NH +4、温度、盐度都是影响硝化作用的主要因子[5] 。

2.1 温度大量研究表明[6,7]，温度高的地方，硝化速率-反硝化速率也高；随温度降低，硝化速率反硝化速率明显变小。

但是温度对硝化细菌的抑制比反硝化细菌小，所以温度降低对硝化速率影响更大。

温度对硝化作用的影响具有两重性,一方面随温度升高，硝化细菌的活性增强,另一方面温度升高会导致溶解氧的浓度降低,使硝化速率降低，从而也影响了反硝化反应。

许多研究表明[6,8,9],硝化速率有明显的日变化和季节性变化,因为硝化细菌的最适温度为25～ 35℃, 低于15℃生长速率急剧下降。

Hansen 的研究发现, 丹麦海岸带沉积物中的硝化速率从春季2℃时到秋季22℃时上升了5 倍[10]。

Macfarlane 和Herbert 的报道在苏格兰的Tay 河口最高的硝化速率出现在夏季, 当温度在19～ 21℃之间的时候。

并且温度变化影响氨化速率进一步影响硝化速率[11]。

Volrence 等对法国潮滩沉积物研究时发现，在10、20、30℃三个不同温度下，氨化速率从0上升到了17µgNH4+-N/g·d(干重)[12]。

温度对低浓度氨氮硝化影响比高浓度大，低浓度氨氮的硝化的温度系数(θ= 1. 105)大于高浓度(θ= 1. 099)[13]。

Zimmerman和Benner 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、有机碳含量和盐度是三个主要的影响因素，其影响程度分别为52%、28%、15%。

2.2 溶解氧水中的溶解氧是影响硝化速率的一重要因子，硝化作用是富氧反应，在氧气充足的情况下，微生物的生物繁殖和活性增强，促进硝化作用。

Esteves et al等研究发现在有氧条件下硝化细菌促进有机物质的分解,但是以NH+4释放的无机氮确比厌氧环境下多,因为在厌氧环境中的NH+4的需要量少[14].并且在有氧环境下氨根离子和有机氮被氧化成N2,部分被氧化成N2O和NO3-。

氧气浓度过高似乎也对硝化不利，Henriksen等报道当溶解氧浓度达到饱和值的2-2.6倍时，沉积物中的硝化速率下降了 15%-25%，原因有待进一步研究。

DO在微生物细胞代谢过程中，与NO3-争夺电子，影响反硝化。

另外，反硝化反应也需要一定的溶氧，当氧气的浓度太低时，会影响反硝化细菌的活动和代谢。

因此，反硝化反应不是氧气越低越好，而是应该有一定的氧气含量[15]。

当氧气浓度低于0.2mg/l时，反硝化细菌才会转向厌氧呼吸，用NO3-做电子受体[16]。

杨龙元在测量休伦湖Saginaw湾反硝化速率过程，发现反硝化速率与氧气消耗之间有明显的正相关[17]。

Seitzinger对淡水河滨和海洋系统中反硝化作用的研究，发现反硝化速率最高值出现富营养沉积物中，氧气含量是主要的影响因素。

2.3 NH4+和NO3-的浓度NH4+和NO3-的浓度的是硝化作用和反硝化作用的主要影响因素之一，NH4+浓度比较大时有利于硝化作用的进行，NO3-浓度比较大时有利于反硝化作用的进行。

,研究发现，并不是NH4+的浓度越高硝化速率越大，当加入20µM 的NH4+ Magalhães CatarinM.时，硝化速率上升了35%，但是加入高浓度200µM的NH4+会抑制硝化速率。

然而，在以岩石作载体的生物膜中加入高浓度200µM NH4+会使最硝化速率增加65%[18]。

刘培芳等对崇明东滩沉积物中的研究表明，随着盐度的升高，NH4+的浓度呈明显的“M”型双峰曲线，释放峰值出现在盐度为5‰，20‰或25‰[19]。

Bianchi等研究发现,在反硝化过程中,74%来自可利用的,等发现,在沙质土壤中加入20µM 的NH4+,可使土壤中的NH4+浓度[20]. Magalhães Catarina M.硝化速率增加35%,但在浓度比较高时(200µM NH4+),会抑制反硝化速率[18].在高浓度NO3-环境中，只有很少一部分NO3-发生氨化反应生成NH4+，大部分都参加反硝化反应。

Herbert等研究结果表明，在NO3-浓度高时，反硝化细菌的活动能力比氨化细菌强-浓度的增加，反硝化反应成为主要[21]。

这与Ogilvie B对Clone河口的数据一致，即随着NO3反应过成[6]。

Smith等人也发现当NO3-浓度增加时，沉积物氨化反应从5%降到4% [22]。

在丹麦的No rsm inde F jo rd海区反硝化作用一年中有两个季节性的最高值，1个在五月份，由于大型藻类死亡后沉降至海底分解使水相中硝酸盐含量升高，另一个在深秋，与输入水中的硝酸盐含量有关[9]。

2.4 生物因素底栖生物通过生物扰动（包括潜穴、爬行、觅食和避敌）或自身的参与影响氮元素在沉积物水之间的迁移、转化。

Tuominen 等研究穴居动物对潮滩沉积物中氮的硝化和反硝化作用的影响，发现穴居动物的活动可大大促进氮的硝化和反硝化作用之间的耦合[23]。

Mortimer等对河口潮滩沉积物的营养盐界面通量的干扰时发现，底栖动物的生物活动增加了氨氮的释放通量，促进了硝化作用的发生。

刘敏等研究发现,蟹类动物的掘穴作用能够使氧气沿着蟹穴渗透到深层沉积物，增加了沉积物中氧气含量,促进了沉积物中有机氮向NH4+-N的转化, NH4--N向NO3--N的转化[24].同时生物活动也可以对硝化作用产生明显的影响, D.Altman等发现昆虫幼虫对沉积物中硝化作用有双重影响，它们可以通过增加氧气在沉积物中的穿透强度来增强硝化作用，也可以通过猎食硝化细菌降低硝化反应[25]。

Blackburn等对沉积物的矿化速率进行测定时，发现底栖生物群落能使沉积物中释放的NH4+增加50%。

Dollhopf, Sherry L.研究发现，沉积物的硝化和反硝化速率有很强的相关性，并且与底栖动物的丰度也有很大的联系。

这表明硝化和反硝化作用的耦合由于动物的活动而增强，有动物的沉积物的硝化速率要比没有沉积物的硝化速率大一数量级。

并且，动物的洞穴活动和高浓度的Fe(III)会使硝化细菌的数量增加，进而会通过硝化和反硝化的耦合作用除去氮[26]。

Gilbert 等人的研究表明，多环节动物的生物扰动使反硝化速率大约增加一倍左右。

Erik等研究发现，在河口沉积物中反硝化作用被一种多毛类环节动物增大3倍，反硝化作用和硝化作用的比值增加0.61-1.11[27]。

生物生长时通过光合作用增加了水体中的氧气含量，从而对沉积物中的硝化作用产生明显的影响，维管植物群集的沉积物中,光合作用释放出的氧进入根围区可能促进硝化作用。

但是藻类沉积增加会增加沉积物中氧气的消耗，从而影响了沉积物中的反硝化作用。

而Erksson和Weisner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。

Enoksson在瑞典Laholm海湾的沉积物添加藻类物质，发现耗氧量、无机氮和溶解有机氮释放分别增加了1.6倍，4.5倍，2倍，但是反硝化速率显著下降了[28]。

2.5 有机质氨在需氧环境中被硝化细菌最终氧化为硝酸盐的过程称为硝化。

在这一过程中细菌利用氨作为能源同化二氧化碳，可利用有机碳的浓度可以影响到硝化速率的大小。

在C:N的比例比较高的情况下，异氧细菌比正在生长的硝化细菌利用NH4+的能力强，用此降低了硝化反应的速率。

Eric A等对C:N比和可利用有机氮的含量的相互作用研究发现，两个因素都对硝化速率的影响比较大，在C:N为7：1和可利用有机氮为10mg/l的情况下，硝化速率出现最大。

在C:N 比最大的情况下硝化反应速率降低，只有在C:N 比最低的情况下N 的浓度才会影响硝化速率。

另外，他们还发现，在沉积物中加入不同浓的梯度的DOC，随着DOC浓度的降低，硝化反应速率从刚刚检测到上升到了0.49ugN/ml沉积物/天。

为了进一步证明硝化速率和有机碳的关系，他们通过加入不同浓度梯度的葡萄糖（10，30，50mgC·L-1）,证明了对于任何一种有机碳的增加，都会导致硝化速率的降低[29].，Eric A. Strauss等的研究结果与Eric A的相似，在沉积物中加入30 mgC·L-1会降低沉积物的硝化速率，但是他强调加入低浓度的溶解有机碳对硝化速率几乎没有什么影响[30]。