Denitrification, anammox, and DNRA in oligotrophic continental shelf sediments  

寡營養(yǎng)大陸架沉積物中的反硝化、厭氧氨氧化和DNRA  

來源：Limnology and Oceanography

湖沼學(xué)與海洋學(xué)

 

摘要內(nèi)容  

該研究聚焦新西蘭東北部寡營養(yǎng)大陸架沉積物的氮循環(huán)過程，發(fā)現(xiàn)反硝化是主要氮去除途徑（65–284 μmol N m?2 d?1），厭氧氨氧化貢獻(xiàn)較?。?–19%），DNRA幾乎可忽略。研究結(jié)合微生物群落分析，發(fā)現(xiàn)變形菌門（Proteobacteria）和浮霉菌門（Planctomycetota）是驅(qū)動反硝化的關(guān)鍵類群，反硝化速率與氧滲透深度負(fù)相關(guān)，與宏體動物豐度正相關(guān)。全球數(shù)據(jù)對比顯示，傳統(tǒng)高估了大陸架脫氮作用（原估20%海洋脫氮，修正為53.5±8.1 Tg N yr?1），主因采樣偏向北半球富營養(yǎng)化區(qū)域。  

 

研究目的  

量化寡營養(yǎng)大陸架沉積物中氮循環(huán)過程（反硝化、厭氧氨氧化、DNRA）的速率。  

 

解析氮循環(huán)的微生物驅(qū)動因子及環(huán)境調(diào)控機制。  

 

重新評估全球大陸架沉積物的脫氮貢獻(xiàn)，揭示采樣偏差對估算的影響。  

 

研究思路  

野外采樣：在新西蘭東北部大陸架7個站點采集沉積物和水樣，覆蓋30–128米深度梯度。  

 

實驗室培養(yǎng)：使用修訂同位素配對技術(shù)（r-IPT）測定反硝化、厭氧氨氧化和DNRA速率。  

 

微剖面分析：使用丹麥Unisense微電極測量沉積物O?和NOx?剖面，計算氧滲透深度（OPD）和擴散速率。  

 

微生物分析：16S rRNA測序揭示微生物群落組成。  

 

環(huán)境參數(shù)：測定孔隙度、葉綠素a、C/N比、宏體動物豐度等。  

 

數(shù)據(jù)整合：結(jié)合全球已發(fā)表數(shù)據(jù)，重新估算大陸架脫氮通量。  

 

測量數(shù)據(jù)及來源  

反硝化、厭氧氨氧化、DNRA速率（圖3a, 3b, 3c；表2）：通過r-IPT和缺氧泥漿培養(yǎng)實驗測得。  

 

 

 

微生物群落組成（圖5a, 5b）：16S rRNA測序揭示優(yōu)勢菌群。  

 

 

O?和NOx?微剖面（圖2）：Unisense微電極測定，計算OPD和DOU（擴散氧吸收）。  

 

 

環(huán)境參數(shù)（表1）：包括溫度、鹽度、營養(yǎng)鹽濃度、C/N比、孔隙度等。  

 

 

數(shù)據(jù)的研究意義  

反硝化速率與OPD負(fù)相關(guān)（圖4a）：表明有機質(zhì)質(zhì)量（通過OPD反映）是反硝化的關(guān)鍵調(diào)控因子。  

 

 

宏體動物豐度促進(jìn)反硝化（圖4c）：揭示生物擾動通過改變氧化還原條件增強氮去除。  

 

微生物群落特征（圖5）：變形菌門和浮霉菌門主導(dǎo)，關(guān)聯(lián)反硝化功能基因分布。  

 

全球?qū)Ρ龋▓D6, 7）：修正傳統(tǒng)高估，強調(diào)南半球寡營養(yǎng)區(qū)數(shù)據(jù)缺失對全球評估的影響。  

 

 

 

結(jié)論  

反硝化是寡營養(yǎng)大陸架主要氮去除途徑，厭氧氨氧化貢獻(xiàn)低，DNRA不顯著。  

 

沉積物氧滲透深度（OPD）和宏體動物豐度是反硝化的核心調(diào)控因子。  

 

全球大陸架脫氮速率（53.5 Tg N yr?1）僅為海洋總脫氮的20%，需重視南半球數(shù)據(jù)缺失。  

 

氣候變化可能減少寡營養(yǎng)系統(tǒng)氮去除能力，增加氮滯留風(fēng)險。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的意義  

使用Unisense微電極測量的O?和NOx?微剖面（圖2）關(guān)鍵作用如下：  

 

氧滲透深度（OPD）：直接反映沉積物氧化層厚度，淺OPD指示高有機質(zhì)活性，促進(jìn)反硝化（因缺氧區(qū)更接近表層）。  

 

擴散氧吸收（DOU）：結(jié)合孔隙度和濃度梯度計算，量化沉積物-水界面氧交換，關(guān)聯(lián)總氧消耗（TOU）與生物擾動強度（TOU/DOU比）。  

 

NOx?分布：揭示硝化-反硝化耦合程度，例如S6站點的NOx?峰出現(xiàn)在O?未耗盡的區(qū)域（3 mm深度），表明硝化作用活躍并為反硝化提供底物。  

 

這些數(shù)據(jù)為解析氮循環(huán)的氧化還原驅(qū)動機制提供了高分辨率空間信息，是理解反硝化與有機質(zhì)礦化、微生物活動耦合的關(guān)鍵依據(jù)。