第1章 河口近岸沉积物氮循环
　　1.1 氮循环研究背景与意义
　　1.1.1 氮循环研究历程
　　氮（N）是有机物中丰度仅次于氢、氧、碳的第四大类元素，作为生命的必需要素，氮元素是浮游植物生长的主要营养盐，氮循环是海洋生态系统中重要的生物地球化学过程（Zehr and Kudela， 2011; Devol， 2015）。氮化合物价态可从3到+5，种类多样，因此在化学反应中，氮元素既可以作为电子受体也可作为电子供体。主要的氮循环过程包括硝化、反硝化、厌氧氨氧化、硝酸盐异化还原成铵（DNRA）、固氮、氮矿化及同化过程（Herbert， 1999; Lam and Kuypers， 2011）（图1-1；表1-1）。18世纪是氮化合物发现的时代，而19～20世纪是氮循环过程发现的时代。自1772年Daniel Rutherford发现N2，1774年Joseph Priestley发现N2O和NH4+，1785年Henry Cavendish发现NO3-后，科学家们便认识到有机氮与无机氮间相互转化的氮矿化与氨同化过程，并相继于1877年发现硝化过程，1880年发现生物固氮过程，1886年发现反硝化过程，1913年哈柏法实现工业固氮后极大地促进全球生产力的提高，1938年发现DNRA过程后，直到1986年才在废水处理工艺中发现厌氧氨氧化过程（Woods， 1938; Galloway et al.， 2013），2002年*次证实海洋环境中也存在厌氧氨氧化过程（Thamdrup and Dalsgaard， 2002）。过去的二十年里，铁介导的Feammox，硫介导的化学自养反硝化及DNRA等也相继被发现（Burgin et al.， 2011）。
　　氮循环过程是与微生物新陈代谢相关的氧化还原，大部分微生物在元素价态发生改变的过程中获取能量，并将转化后的元素释放到环境中。当发生4个电子转移时，异养有氧呼吸可以产生402 kJ能量，异养反硝化过程产生398 kJ，异养DNRA为257 kJ，自养厌氧氨氧化为477 kJ，自养硝化**步NH4+氧化产生185 kJ，第二步NO2-氧化产生164 kJ（Lam and Kuypers， 2011）。自养固氮过程是一个耗能过程，每生成一个NH3需要消耗8个ATP（Sohm et al.， 2011a），固氮酶极度厌氧，但海洋中普遍存在的固氮蓝细菌UCYN-A却生活在海洋表层，研究发现其缺乏产生氧气的光合系统Ⅱ复合体，同时其与Haptophyte光合藻类共生（Tripp et al.， 2010; Harding et al.， 2018）。不同反应的难易程度及合适环境均存在差异，且大部分由专一的微生物介导，但共同组成了微生物的能量及氮元素的生物地球化学循环。氮转化过程复杂多变，同位素的发展为氮循环研究提供了新思路，通过同位素配对技术、示踪技术或稀释技术，我们可以在接近自然状态下单*或同时测量每一个过程，极大地促进对氮素生物地球化学循环及其控制机制的认知（Huygens et al.， 2013）。
　　图1-1 近岸海域沉积物微生物驱动下的氮循环过程示意图（Arrigo， 2005; Francis et al.， 2007）
　　氮转化过程主要由微生物功能基因编码的酶催化（图1-1），nirS是反硝化过程中NO2-还原酶的编码基因，nrfA是DNRA中NO2-还原为NH4+的编码基因（Smith et al.， 2015），nifH是固氮过程中固氮还原酶的编码基因（Zehr and Capone， 1996），NH4+氧化是硝化的**步也是限制步骤，由bacteria-amoA或archaea-amoA基因编码的氧化酶催化（Li et al.， 2011），全部细菌及厌氧氨氧化细菌的丰度可大致由bacterial 16S rRNA和anammox 16S rRNA genes的丰度反映（Yu et al.， 2018）。尽管功能基因表达编码的催化酶是氮循环反应的必须介质，有研究显示基因丰度并非反硝化或DNRA的主要控制因素（Liu et al.， 2013a），因此，有关基因丰度与转化速率之间的关系和控制因素还需要更多的研究。
　　表1-1 海洋生态系统氮循环关键过程反应方程式（Pena et al.， 2010; Lam and Kuypers， 2011）
　　注：DNRA指硝酸异化还原成铵过程；O2/N表示环境中O2与N的摩尔数比值。
　　1.1.2 河口近岸氮循环研究意义
　　氮循环是全球变化科学研究当中重要、前沿又极具挑战的板块。过量人为活性氮输入地表系统所引发的生态环境问题，是仅次于生物多样性危机之后*严重的全球环境问题。过量的人为活性氮通过径流与大气沉降等方式汇入河口，已导致该生态系统氮素失衡，进而引发赤潮、缺氧、温室气体排放增加、生物多样性减少等一系列生态环境问题（Liu et al.， 2021）。河口近岸作为陆地与海洋的连接枢纽，接收了大量陆地排放的活性氮，并成为氮转化的天然反应器。海洋沉积物在微生物驱动下常作为氮循环的重要反应场所，其中主要涉及固氮、氮矿化、硝化、反硝化、厌氧氨氧化和硝酸盐异化还原成铵（DNRA）等一系列微生物氮循环过程（龚骏和张晓黎， 2013）。目前国内外学者主要关注河口近岸沉积物关键氮循环过程的微生物活性、脱氮比例、种群多样性及其对环境变化的响应和反馈机制，其中所涉及的环境变化范畴不仅包括全球性或区域性的，如全球气候变暖（Brin et al.， 2017; Galbraith and Kienast， 2013）、人为活性氮增加（Gardner and McCarthy， 2009）、海洋酸化（Hutchins et al.， 2009）和缺氧区（Dalsgaard et al.， 2012）等；同时也涵盖如温度、盐度、硝态氮（NO3-）与有机碳（TOC）等环境因子差异（Brin et al.， 2017; Bristow et al.， 2017; Plummer et al.， 2015; Tan et al.， 2019; Zheng et al.， 2016）。
　　1.2 河口近岸氮循环研究进展
　　1.2.1 反硝化研究进展
　　反硝化被认为是河口近岸生态系统中至关重要的氮循环过程之一，将生态系统中的活性氮转化为N2归还到大气中，常被视为活性氮永久性脱离生态系统的关键途径之一，对降低水体氮负荷、修复氮污染具有十分重要的生态环境意义（Deng et al.， 2015）。大多数反硝化细菌属异养型，即以含碳化合物作为电子供体和碳源，将NO3-逐步还原为亚硝态氮（NO2-）、一氧化氮（NO）、N2O和N2（图1-1和表1-1），该过程中大部分的NO3-被还原N2，还有少部分以N2O的形式存在（姜星宇等， 2016）。迄今为止，能够完成异养反硝化过程的生物体包括广泛多样的细菌（特别是变形菌门）（Devol， 2015）、古菌（Zumft， 1997），以及有孔虫类（Risgaard et al.， 2006; Pi?a-Ochoa et al.， 2010）。同时，随着国内外学者对反硝化过程研究的不断深入，有学者发现脱氮硫杆菌（Thiobacillus denitrificans）和脱氮硫微螺菌（Thiomicrospira denitrificans）两种细菌均能通过以硫化氢为化学能源将NO3-转作为N2，*终实现化能反硝化过程（Devol， 2015）。此外，有报道证实了金属氧化物（如二氧化锰）同样能够作为反硝化过程的能源补给（Anschutz et al.， 2000）。海洋沉积物作为海洋生态系统中一个重要组成部分，常处于缺氧状态，其接收了大量来自陆地生态系统和可见光层水体光合作用产生的有机物，可为异养型反硝化提供潜在电子供体和碳源，而海洋生态系统中大量存在的硫化物和金属氧化物又可为反硝化过程的发生提供化学能源。近几十年来，大量人为活性氮输入到近海生态系统中，可为反硝化提供反应底物，进而影响反硝化过程。因此，近海生态系统中的沉积物常被视为反硝化发生过程的理想场所，备受国内外学者广泛关注。
　　NO3-在河口水体无机氮（DIN）中一般占比*高。因此，硝酸盐还原过程在河口生物地球化学循环中发挥重要作用。硝酸盐还原过程包括反硝化、厌氧氨氧化、DNRA。反硝化是NO3-还原为N2的一系列过程，厌氧氨氧化通过利用NH4+和NO2-合成N2，这两个过程是海洋中重要的氮损失过程。反硝化研究起步较早，经过长期的研究探讨，目前已对该反应过程路径、中间产物、酶活性与相关的微生物种群特征有了较为深入的认识。目前反硝化微生物按营养类型划分大致可分为自养型反硝化细菌和异养型反硝化细菌两大类。其中异养型反硝化能够在缺氧或者厌氧环境中以有机物作为电子供体及碳源，以NO3-作为电子供体，进行无氧呼吸，进而达到分解有机物，NO3-还原为N2。相反，自养型反硝化则是微生物利用无机碳（DIC）作为碳源，并从无机物的氧化-还原过程中获取能量（方晶晶等， 2010）。该过程主要的中间产物和*终产物包括NO2-、NO、N2O及N2，并*终以氮的气态形式（NO、N2和N2O）退出生态系统，该过程被视为重要的生物氮去除途径，且其对自然界脱氮贡献比例超过70%，因此在控制氮素污染上常扮演着重要角色（Babbin et al.， 2014; Gao et al.， 2016）。该过程的代谢酶种类多样，主要包括硝酸还原酶（Nar）、亚硝酸还原酶（Nir）、一氧化氮还原酶（Nor）和****还原酶（Nos）（Zumft， 1997）。其中Nir是反硝化过程中的限速步骤，并存有含铜基（Cu-nir）的nirK和含有亚铁血红素c和d1（cd1-nir）的nirS两种不同的结构形态的基因编码（方芳和陈少华， 2010）。尽管两种基因的结构不同，但其功能和生理学特性较为相似（Braker et al.， 1998）。此外，nirS在自然环境中分布更为广泛，故在以往的反硝化群落和生物标记研究中nirS要比nirK应用得更为频繁（Gao et al.， 2016）。
　　河口近岸生态系统中的反硝化细菌种类较多，且在分类学上没有专门的类群。主要包括芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、节杆菌属（Arthrobacter）、不动杆菌属（Acinetobacter）、纤维微杆菌属（Cellulosimicrobium）、微杆菌属（Microbacterium）、螺旋菌属（Spirillum）、海单胞菌属（Oceanimonas）等。其中Bacillus与Pseudomonas普遍存在于河口、近岸及远洋生态系统中，而其他种属出现频率偏低，仅在一些特殊环境中占优势（Zumft， 1997）。除以上细菌外，某些特殊的古生菌和真核与原核生物群落（如底栖有孔虫类）同样具备反硝化功能（Pi?a-Ochoa et al.， 2010; Bernhard et al.， 2012），目前已有60多种有孔虫类被认为能够积累并通过反硝化作用进行呼吸，故其对推动海洋沉积物脱氮过程的认识意义重大，也将成为今后脱氮过程研究的热点话题之一（Prokopenko et al.， 2006; Pi?a-Ochoa et al.， 2010; Bernhard et al.， 2012; Glock et al.， 2013）。海洋生态系统中除异养反硝化菌外，还包括如产硫酸杆菌（Thiobacillus）和硫微螺菌（Thiomicrospira）等利用硫化氢作为能源的化能自养型反硝化细菌（Zumft， 1997; Cardoso et al.， 2006）。此外，海洋生态系统中金属氧化物如二氧化锰也被证实能够作为能源服务于反硝化过程（Anschutz et al.， 2000）。因此，虽然人们对反

目录
“博士后文库”序言
前言
第1章 河口近岸沉积物氮循环 1
1.1 氮循环研究背景与意义 1
1.1.1 氮循环研究历程 1
1.1.2 河口近岸氮循环研究意义 3
1.2 河口近岸氮循环研究进展 4
1.2.1 反硝化研究进展 4
1.2.2 厌氧氨氧化研究进展 9
1.2.3 DNRA研究进展 12
1.2.4 硝化作用研究进展 14
1.2.5 固氮研究进展 15
1.2.6 氮矿化与同化研究进展 16
1.3 氮循环测定方法研究进展 17
第2章 利用薄膜进样质谱测定河口近岸沉积物硝化与硝酸盐同化过程 20
2.1 引言 20
2.2 材料与方法 21
2.2.1 15NO3-测定方法 21
2.2.2 15NO3-还原条件和标准*线的优化 22
2.3 结果与讨论 23
2.3.1 15NO3-还原条件的优化 23
2.3.2 REOX/MIMS精确度和准确度 26
2.3.3 测定总硝化与硝酸盐同化速率 28
2.3.4 REOX/MIMS优缺点及应用 28
2.4 本章小结 32
第3章 *大浑浊带对河口沉积物硝酸盐还原过程的影响 33
3.1 引言 33
3.2 材料与方法 36
3.2.1 研究区概况与样品采集 36
3.2.2 站点理化性质测定 37
3.2.3 氮转化速率测定 38
3.2.4 微生物功能基因测定 39
3.2.5 统计与分析 40
3.3 结果与讨论 41
3.3.1 水体和沉积物理化参数变化 41
3.3.2 NOx-去除过程的变化 43
3.4 讨论 47
3.4.1 浑浊度介导的初级生产力对沉积物NOx-去除过程的影响 47
3.4.2 氮损失、氮保留及其生态环境意义探讨 53
3.5 本章小结 56
第4章 *大浑浊带对河口沉积物氮矿化与同化过程的影响 57
4.1 引言 57
4.2 材料与方法 58
4.2.1 研究区概况与样品采集 58
4.2.2 站点理化性质测定 59
4.2.3 氮转化速率测定 59
4.2.4 微生物功能基因测定 60
4.2.5 统计与分析 60
4.3 结果与分析 61
4.3.1 水体及沉积物理化性质 61
4.3.2 微生物介导的氮转化过程 62
4.3.3 氮转化过程的多重线性回归分析 66
4.4 讨论 68
4.4.1 藻类来源有机物对河口表层沉积物氮矿化和同化过程影响 68
4.4.2 环境因素对氮矿化与氨同化过程的调节作用 72
4.4.3 生态环境意义 74
4.4.4 方法评估 76
4.5 本章小结 76
第5章 海湾沉积物硝酸盐还原过程研究 78
5.1 引言 78
5.2 材料与方法 79
5.2.1 研究区概况及样品采集 79
5.2.2 沉积物理化性质测定 80
5.2.3 氮转化速率测定 80
5.2.4 统计与分析 81
5.3 结果与分析 81
5.3.1 站点理化性质时空分布特征 81
5.3.2 硝酸盐还原速率及比例时空分布特征 87
5.3.3 关键控制因素 89
5.4 讨论 90
5.4.1 盐度梯度下硝酸盐还原过程关键控制因素探讨 90
5.4.2 国内外对比及生态环境意义探讨 93
5.5 本章小结 96
第6章 海洋牧场表层沉积物氮循环关键过程研究 98
6.1 引言 98
6.2 材料与方法 100
6.2.1 研究区概况与样品采集 100
6.2.2 环境参数测定 101
6.2.3 氮转化速率测定 101
6.2.4 微生物菌群特征测定 101
6.2.5 Illumina扩增子测序 102
6.2.6 统计与分析 102
6.3 结果与分析 103
6.3.1 站点理化性质 103
6.3.2 硝酸盐还原过程 104
6.3.3 功能基因丰度 105
6.3.4 nosZ与nrfA功能基因组成与多样性 106
6.3.5 氮转化速率与功能基因特征关联 108
6.4 讨论 110
6.4.1 轻度厌氧对硝酸盐还原过程的影响 110
6.4.2 生态环境意义探讨 115
6.5 本章小结 116
第7章 互花米草入侵对红树林沉积物硝酸盐还原过程影响研究 117
7.1 引言 117
7.2 材料与方法 118
7.2.1 研究区域概况和样品采集 118
7.2.2 沉积物理化性质测定 119
7.2.3 氮转化速率测定 119
7.2.4 微生物功能基因测定 119
7.2.5 统计与分析 119
7.3 结果与分析 120
7.3.1 沉积物理化性质 120
7.3.2 硝酸盐还原过程速率及贡献比 121
7.3.3 沉积物理化性质对硝酸盐还原过程的影响 123
7.4 讨论 125
7.4.1 沉积物硝酸盐还原过程的影响因素 125
7.4.2 关于互花米草入侵红树林硝酸盐异化还原过程的生态环境效应 128
7.5 本章小结 130
第8章 红树林保护与修复对湿地沉积物氮循环关键过程的影响 132
8.1 引言 132
8.2 材料与方法 133
8.2.1 研究区域及抽样 133
8.2.2 环境参数测定 134
8.2.3 氮转化速率测定 134
8.2.4 微生物功能基因测定 134
8.2.5 统计与分析 135
8.3 结果与分析 135
8.3.1 环境参数 135
8.3.2 NOx-还原过程的时空变化特征及影响因素 136
8.4 讨论 139
8.4.1 探讨不同生长年限红树林沉积物NOx还原过程的关键影响因素 139
8.4.2 红树林保护与修复对脱氮和氮保留的影响及生态环境意义探讨 143
8.5 本章小结 147
第9章 围垦养殖对河口湿地沉积物氮循环关键过程影响研究 148
9.1 引言 148
9.2 材料与方法 149
9.2.1 研究区域概况及样品采集 149
9.2.2 沉积物理化性质测定 150
9.2.3 氮转化速率测定 150
9.2.4 统计与分析 150
9.3 结果与分析 151
9.3.1 上覆水体理化性质 151
9.3.2 沉积物理化性质 151
9.3.3 硝酸盐异化还原速率及其百分比的时空分布特征 152
9.4 讨论 154
9.4.1 养殖塘硝酸盐异化还原速率的关键影响因素探讨 154
9.4.2 沉积物硝酸盐异化还原过程贡献比例的关键影响因素探讨 156
9.4.3 养殖生态系统硝酸盐异化还原过程的生态环境效应 157
9.5 本章小结 160
第10章 土地利用方式转变对潮滩湿地沉积物氮循环关键过程的影响 161
10.1 引言 161
10.2 材料与方法 164
10.2.1 研究区概况与样品采集 164
10.2.2 沉积物/土壤理化性质测定 166
10.2.3 氮转化速率测定 166
10.2.4 统计与分析 166
10.3 结果与分析 167
10.3.1 土壤/沉积物的物理化学性质 167
10.3.2 硝酸盐还原过程 169
10.4 讨论 172
10.4.1 土地利用对红树林沉积物理化性质的影响 172
10.4.2 生态环境意义探讨 174
10.5 本章小结 178
第11章 城市河网-河口及邻近海域沉积物氮循环关键过程研究 179
11.1 引言 179
11.2 材料与方法 180
11.2.1 研究区概况与样点采集 180
11.2.2 环境参数测定 181
11.2.3 硝酸盐还原速率测定 182
11.2.4 微生物功能基因测定 182
11.2.5 统计与分析 182
11.3 结果与分析 182
11.3.1 城市河网-河口及邻近海域环境参数 182
11.3.2 城市河网-河口及邻近海域沉积物硝酸盐还原过程时空分布特征 184
11.3.3 硝酸盐还原过程的关键控制影响因素 188
11.4 讨论 189
11.4.1 城市河网-河口及邻近海域沉积物硝酸盐还原过程关键控制因素探讨 190
11.4.2 生态环境意义探讨 192
11.5 本章小结 193
第12章 河口沉积物氮循环关键过程、影响因素及环境意义 194
12.1 引言 194
12.2 材料与方法 195
12.2.1 研究区域概况及样品采集 195
12.2.2 站位理化性质 196
12.2.3 理化性质与潜在速率测定 197
12.2.4 DNA提取与定量PCR 198
12.2.5 统计与分析 199
12.3 结果与分析 200
12.3.1 站位理化性质 200
12.3.2 关键N循环过程活性空间分布特征 204
12.3.3 关键N循环过程功能基因空间分布特征 205
12.3.4 关键氮循环过程与环境因子关系 207
12.4 讨论 208
12.4.1 N循环过程关键控制影响因子探讨 208
12.4.2 N转换通量及生态环境意义探讨 213
12.5 本章小结 216
主要参考文献 218
编后记 263