典型河口區硝態氮短程還原成銨的活性氮累積途徑研究進展

蔣 然,李召旭

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東廣州 510006)

典型河口區硝態氮短程還原成銨的活性氮累積途徑研究進展

蔣 然,李召旭

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東廣州 510006)

為了揭示水體特有的,具生物活性的氮素積累而造成水生態惡化的內因,對河口區氮循環的非傳統生物轉化途徑,即硝態氮異化還原成銨(DNRA)的活性氮累積途徑進行綜合分析。河口環境特征與相應的微生物生態學研究表明：相對高溫高鹽的濱岸帶系統里夏季富營養化嚴重,生物活性氮素通量高；在淺水河口的DNRA是氮轉化客觀存在的“鏈節”(相應地成為反硝化的匯)。高鹽環境下的沉積物有充足的碳源,具備DNRA菌糖代謝發酵的條件,從而可能具備與反硝化過程競爭的環境條件。認為應結合河口特征如氣候、鹽度、微生物種類等對DNRA的關聯機制展開深入細致的研究,為我國河口地區的氮素總量控制管理及富營養化水平評價提供生物學基礎。

活性氮；硝態氮異化還原成銨；河口地區；咸潮；氮素總量控制

氮是組成生物有機體的主要元素,被稱之為“營養元素”或“生源要素”。在水體中能被浮游生物直接利用的是溶解態無機氮化合物(也稱為生物活性氮),主要以硝酸根、亞硝酸根和銨離子的形式存在。氮是評價和預測富營養化程度的主要指標和依據之一。然而,由于水體循環過程中受到大量人為輸入氮素的影響,已在許多河口海岸產生了諸如赤潮暴發、底層水溶解氧銳減以及溫室氣體排放等重大環境問題。

1 河口區水體活性氮轉化途徑與氮素污染

河口是河流系統與海洋系統間的交接過渡地帶,流動場受到徑流動力和海洋動力相互作用的影響,咸潮上溯是入注海洋河流的河口中最主要潮汐動力過程之一。河口區咸潮頻發,不僅直接影響生態供水安全,而且通過復雜的物化和生化作用改變了正常的營養鹽濃度與分布,最終對生態環境產生了間接的累積影響。沉積物既是氮素營養鹽的源和匯,也是以氮生化反應為主的微生物富集的場所。在地表水體氮循環的建立以及平衡中,微生物起著主導作用。氮在沉積物-水界面間的遷移轉化是一個復雜的生物化學過程,在通常情況下硝化和反硝化是界面的主要遷移方式。生物活性氮通過微生物反硝化和厭氧氨氧化作用生成具生物惰性的氮氣,從而可減輕其對水體中的污染;而由于硝態氮異化還原成銨(dissimilatorynitratereductionto ammonium,DNRA,也稱為短程成銨)的作用,使硝態氮轉化為銨而滯留在水體中,從而導致了水生態的惡化。

通過自然的硝化和反硝化過程可減少生物活性氮的存在,這是維持河口區生態平衡的重要途徑。然而目前在河口區,尤其是經濟發達、人為干擾嚴重的河口區,在外源氮素急劇增加的情況下,加上河口區特有的潮汐循環,受咸淡水交替、出露淹沒交替、泥沙沖淤交替等海陸交互作用的影響,直接受陸域外源干擾的潮灘沉積物氮素轉化途徑在復雜的環境因子作用下出現多種氮素轉化方式并存,在咸潮上溯時可能出現通過DNRA途徑導致活性氮積累。

2 河口氮循環中DNRA過程的存在

迄今為止,人們對區域氮循環這一復雜的生物和地球物理化學過程的研究主要有各種自養或異養微生物為媒介的生物固氮、有機氮礦化、硝化以及反硝化等幾個方面[1-4]。關于在河口地區硝態氮循環形成的研究中所得出的主要結論是：①反硝化是減少入海氮通量及富營養化水環境中氮素去除的最好手段[3-4];②河口地區通常可清除10%～60%的氮負荷(全球范圍內河口地區總氮負荷中約有一半通過反硝化作用去除[4])。然而,由于還有其他形式的氮循環途徑存在[1-2,5],用現有海洋氮循環通量模型的計算結果始終無法達到氮平衡的范圍[6]。由此可見,還有一些在氮循環中影響顯著的途徑被忽略了。雖然人們早在20世紀80年代末期就已通過試驗證明了在氮循環中有DNRA過程的存在[7],但對于這個過程在生態系統中硝態氮轉化與歸趨中的重要性只是在近年才開始得到認識[8]。結合近年來一些新發現的氮轉化形式,Santoro[1]在2010年提出了在河口區的沉積物咸淡水交匯區氮素轉化途徑(圖1),比較全面地描述了氮素的來龍去脈。現有的研究表明[8-11]：DNRA過程主要存在于海洋系統(包括海底、河口和鹽堿地沉積物),也會存在于土壤和淡水體系;不同生態微環境下均存在硝態氮通過DNRA途徑生成銨的現象,其占初始硝態氮的10%～90%[8]。很顯然,DNRA占硝態氮總量的比率與具體地理和環境因素密切相關,如：在波蘭富營養化水庫底泥上覆水中通過DNRA過程減少的硝態氮約占10%,且水溫和碳/氮比的升高均有助于形成DNRA過程[9]。

圖1 河口區沉積物水土界面咸淡水交匯區氮素可能的轉化途徑[1]

3 DNRA過程在河口地區氮循環中的地位

DNRA過程對于河口海岸營養鹽輸送的氮通量增加有著重要影響,它在一些亞熱帶河口水體富營養化的趨向和特征較為顯著。如美國的Texas和Florida、澳州的Flamouth等,在水體富營養化過程中普遍存在銨氮積累,而且從氮素內循環生成的銨氮(非外源銨氮)占其總量的10%～50%[1,10-13]。如果僅用如圖1所示的單向硝化-反硝化途徑無法合理解釋為什么在外源氮素輸入量增加時,反硝化率下降而銨氮增加,與此同時具生物活性的氮通量增多。An等人[10]曾在美國德克薩斯州的Laguna Madrene海灣用原狀土芯法分析了通過DNRA作用產生的銨氮比重,發現有15%～75%轉化為15NH+4的形式, 5%～29%轉化為29+30N2[11],其試驗證實了在淺水河口的DNRA過程是氮轉化客觀存在的“鏈節”(相應地成為反硝化的匯)。他們[10-13]對亞熱帶淺水Florida海灣的研究表明[10-13]：在這個相對高溫高鹽的濱岸帶系統里夏季富營養化嚴重,生物活性氮素通量高、河口富營養化加劇。這些研究成果從不同角度說明了在亞熱帶河口區環境中外源硝態氮輸入量增加時,DNRA過程在氮循環中的地位和作用顯著。

在我國,涉及河口區關于DNRA途徑在河口的氮素污染機理的研究幾乎是空白。然而可從一些研究中間接地推測在珠江河口也存在著進行DNRA過程的微生物群落,并在硝酸鹽還原中占有一定的位置。如：徐繼榮等[14]對珠江口入海河段水樣和沉積物硝化與反硝化速率的研究中發現,硝態氮的還原速率遠大于反硝化速率,表明硝態氮生化轉化途徑中的硝化-反硝化耦合反應不是唯一的主要途徑。韋宗敏等[15]研究了微生物好氧反硝化機理(與傳統的好氧硝化/厭氧反硝化相悖),在利用珠江某河段的沉積物篩選好氧反硝化菌種過程中發現了能在碳源充足的情況下進行DNRA的微生物群落,其轉化率可達30%。由此斷定,在珠江河口區也存在著較為顯著的DNRA作用。

4 河口區特征環境因子對DNRA過程中功能微生物的影響

在河口區,潮汐周期內的咸淡水的交互作用顯著,水體鹽度是河口濱岸環境變化極為劇烈的環境因子之一。普遍認為鹽度對微生物的反硝化具有抑制作用[1,10-13],但也有研究表明鹽度對此無負影響[1]。但基本的共識是：隨著鹽分升高,硫酸鹽逐漸下降,隨之增多的低價態硫化物更易于成為DNRA的電子供體,從而有利于銨氮通過生物轉化內循環在河口水體中積累[5,11-12]。Laverman等[16]是少數在DNRA過程中研究微生物群落對水動力響應機制方面的學者,他們在咸-淡水交匯區的沉積物水土體系氮循環模擬試驗中,觀察到隨著鹽度升高,DNRA過程中的反應速率比在淡水環境中高35 nmol/(cm3·h),并由此推斷：咸潮入侵對河口微生物群落會產生顯著影響。Giblin等[17]對Parker河口沉積物的呼吸量,沉積物-水界面的營養通量、反硝化和DNRA過程中的反應速率進行了長達13 a的監測,結果表明,沉積物水土界面營養通量以氨為主要形式,氨通量與鹽度有較高相關性,DNRA過程中的季節變化模式與鹽度時間尺度變化一致。隨著潮汐周期變化的其他環境因子還有氧化還原電位(ORP)、水溫、pH值、水中的磷酸鹽、硫酸鹽、各形態的可溶性無機氮(DIN)等,但國內對河口環境因子影響DNRA過程的研究報道較少,國外研究發現DNRA過程易發生在ORP低、水溫高的環境里[5,12]。

從前期采用微生物生態學研究與氮轉化(DNRA、硝化和反硝化等)相關功能微生物種類、豐度與河口區的營養鹽梯度分布關系,以及用反轉錄定量聚合酶鏈式反應等分子生物技術(功能酶基因nrfA,narG,napA,nirS等)鑒定及指示功能微生物變化的報道中[8,17],所得到的關于DNRA功能微生物生態學研究的初步認識是：DNRA是通過厭氧或兼性厭氧微生物群落(假單胞菌屬、固素螺菌屬和產氣單胞菌屬)來實現這一過程;其可能的轉化途徑有兩種：一是發酵型微生物在代謝過程中,從有機物分解中轉移過多的電子流到硝態氮;二是通過硫化物的電子流供給驅動。

硝態氮異化還原主要限于細菌,根據其終產物不同可區分成兩類：一類是以氣態氮化物(N2O+ N2)為主導產物,稱為反硝化;另一類以NH+4為主導產物,稱為短程成銨(DNRA)[3]。兩種異化還原過程表面上是終產物不同,而實際上是生理和代謝過程的不同。因為厭氧呼吸是產能的,細菌為了生存當然優先利用產能更多的呼吸途徑,因此反硝化過程更有普遍性。既然DNRA過程不產能,那么DNRA菌在與反硝化菌的競爭中為什么有存在的可能性?有研究者提出細菌從DNRA過程中可能得到如下益處[7]：形成的銨氮可供細胞物質合成,氧化核苷酸(NADH);提高環境pH值;去除發酵過程形成的有害物質;能使細菌利用一些非發酵性基質進行厭氧生長。這些益處說明了DNRA菌為什么是目前所知的狀態,但還不能完全解釋其生態優勢。關于這些問題,還需要從遺傳學角度進一步研究相關調控機理,如呼吸和發酵之間的調控、好氧呼吸和厭氧呼吸兩者的呼吸鏈組分合成調控、亞硝酸還原酶合成的基因調控等方面研究。從DNRA生態學已有的研究成果得知,該細菌適于在高pH值環境下生長,且對碳源種類要求較低,因此高鹽環境下的沉積物有充足的碳源,具備DNRA菌糖代謝發酵的條件,從而可能具備與反硝化過程競爭的環境條件[3-4,7]。

5 未來研究進展

綜上所述,微生物的功能特征與環境因子相關,即使是同一種屬的微生物常見種在不同區域環境中也表現出不同特征。地處氮富營養化的亞熱帶河口區的DNRA作用顯著,并與特定的區域和地理環境有密切關系,而上述的DNRA功能微生物僅限于國外的河口氮素生物轉化研究。鑒于DNRA過程對于珠江河口水體生態平衡的意義重大以及國內對該方向的研究甚少,因此有必要結合如氣候、鹽度、微生物種類等具有區域特征的要素對DNRA的關聯機制展開深入細致的研究,如,對于咸潮入侵后水生態系統氮通量的變化、赤潮水華等水污染危機暴發的預測等,為我國河口地區的水資源保護和生態治理提供科學依據。

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Active nitrogen accumulation mechanism in typical estuarine regions based on dissimilatory nitrate reduction to ammonium

JIANG Ran,LI Zhaoxu
(Zhujiang Hydraulic Research Institute,Pearl River Water Resources Commission,Guangzhou,510006)

In order to explore the internal causes of aquatic ecological deterioration by biological active nitrogen accumulation,which specifically occurs in water bodies,we comprehensively analyze the non-traditional biological conversion paths of nitrogen cycling,i.e.,the paths of active nitrogen accumulation based on dissimilatory nitrate reduction to ammonium(DNRA),in estuarine regions.Studies of estuarine environmental characteristics and microbial ecology show that there exist severe eutrophication and large fluxes of biological active nitrogen in the summer in the riparian zone,with relatively high temperature and salinity.DNRA in a shallow estuary is the chain unit for the occurrence of nitrogen conversion.The sediments in a high-salinity environment have sufficient carbon sources and can meet the requirements of DNRA carbohydrate metabolism fermentation.Thus,they may satisfy the conditions for competing with the denitrification process.We suggest that future studies should be focused on relationships between estuarine climate,salinity,microbe species,and DNRA.This study provides a biological basis for total nitrogen control and eutrophic status evaluation in estuarine regions of China.

active nitrogen;nitrate dissimilatory reduction to ammonium;estuarine region;salt tide;total nitrogen control

X171.1

A

10046933(2014)04001004

20130905 編輯：高渭文)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.003

廣東省自然科學基金(S2012010008987);水利部公益性行業科研專項(201001021)

蔣然(1974—),女,高級工程師,博士,主要從事水生態及水環境污染控制研究。E-mail：458750084@qq.com