辽河口沉积物硝化反硝化过程及其功能微生物研究

作     者：白昕 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋长春;叶青

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：辽河口 沉积物 硝化过程 反硝化过程 微生物 

摘      要：河口是径流与海水交汇的关键地带,径流携带大量氨氮和硝态氮进入河口,导致河口水体富营养化以及生境退化等生态环境问题。揭示河口沉积物中以氨氮和硝态氮为中心的微生物氮循环过程是解决次生环境问题的首要基础。盐度梯度的变化是河口的显著特征,影响着微生物代谢和生态位分化。此外,氨氮作为硝化作用的底物,也会影响微生物介导的硝化过程。然而,盐度和氨氮改变对河口自然生态系统硝化过程的影响仍不清楚。基于此,本论文以辽河口为研究对象,开展了以下研究: （1）按照海洋监测规范测量了样品的理化性质。结果表明:研究区夏季上覆水盐度高于冬季,其变化范围为0.57～26.54‰。上覆水呈弱碱性,pH值为6.50～8.04。冬夏两季wNO3-有显著的季节性差异,DOC与DIC含量在冬季均高于夏季;表层沉积物为粉粒型沉积物,sNH4+含量在冬季显著高于夏季,整体冬季的铁含量要高于夏季。 （2）采用抑制剂法和泥浆培养实验结合15N同位素标记技术,测定了辽河口沉积物中的潜在硝化和反硝化速率;同时采用qPCR技术,测定了参与硝化和反硝化过程的部分功能基因丰度。结果表明:潜在硝化速率变化范围为1.30～21.83μmol h-1 kg-1,潜在反硝化速率变化范围为1.5～28.9μmol h-1 kg-1。潜在硝化和反硝化速率有明显的季节性差异,冬季潜在硝化速率大于潜在反硝化速率,夏季则相反。此外,沉积物中硝化功能基因随季节变化,冬季时期AOA amo A丰度较高,而夏季时期AOB amo A丰度较高;而反硝化基因丰度对盐度变化较为敏感,盐度较低时nir K基因丰度较高,盐度较高时nir S基因丰度较高。 （3）采用高通量测序技术,分析了硝化细菌和反硝化细菌群落结构。结果表明:辽河口沉积物中共检测出5个硝化菌属,11个反硝化菌属。硝化和反硝化菌属均有明显的季节性变化,其中冬季时期空间异质性较大,夏季同质性较好。硝化螺菌属（Nitrospira）是辽河口沉积物中的硝化细菌优势属。弧杆菌属（Bacillus）和黄杆菌属（Flavobacterium）是反硝化细菌优势属。中性模型分析表明,硝化细菌和反硝化细菌群落变化主要受确定性过程的影响,其中反硝化细菌受到的影响更大,物种扩散能力更强。 （4）利用相关性分析、NMDS和RDA分析等统计学分析方法,研究了理化因子、潜在速率和功能微生物群落结构之间的关系。结果表明:盐度、溶解氧和pH是河口硝化与反硝化过程及其功能微生物群落结构变化的关键环境因素。水温、DIC、sFe2+和sFe3+也是控制硝化过程及其功能微生物群落结构变化的环境因子,而反硝化过程还受到底物浓度的影响。 （5）通过驯化培养实验探究了盐度和氨氮水平变化对沉积物硝化过程的影响。结果表明:沉积物的总潜在硝化速率对于氨氮变化的敏感度性显著高于盐度。存在介于22～30‰盐度范围使得硝化速率最大。此外,总潜在硝化速率随着氨氮浓度的增加而上升。特别是,在较高的氨氮水平下AOA和AOB的活性和丰度均得到了显著提升。