渤海沉积物中反硝化与厌氧氨氧化脱氮速率及相关功能微生物类群的时空特征

Nitrogen is one of the key elements that could lead to eutrophication in aquatic environments. With the rapid economic development of the coastal area, nitrogen runoff from land to the coast has been increasing, which threatens the eco-security of our seas. Denitrification and anammox (anaerobic ammonium oxidation) are two microbial anaerobic processes that are responsible for transforming dissolved inorganic nitrogen to dinitrogen gas. Quantitative studies of these two nitrogen removal processes are of high significant due to their importance in ecological modeling and assessment of environmental capability. The Bohai Sea, the only inland sea of our country, covers only 1.6% of the total oceanic area, astonishingly receives nearly half wastewater discharges of the whole nation. This project is focusing on the two key processes in sediments of the Bohai Sea. Nitrogen removal rates and tempo-spatial patterns of denitrification and anammox will be determined by stabe isotope (15N) technique; functional genes (nirS, nirK, nosZ and hzo) will be used as molecular markers to reveal tempo-spatial distribution of denitrifying and anammox bacteria, and their coupling with their expression levels and nitrogen removal rates. Furthermore, the question that how environmental factors control the anammox and denitrification rates and related microbial community shifts will be addressed. The output of this project will contribute not only to the assessment of the environmental capability and coastal functional zoning of the Bohai Sea, but also our understanding of the nitrogen geobiochemical cycles in coastal seas at large.

陆源氮大量向海洋排放，是造成近海水体富营养化的主要原因，对海洋生态环境造成严重威胁。微生物主导的反硝化与厌氧氨氧化过程是海洋生态系统氮自净功能的主要途径。因此，研究富营养化海区的氮输出过程对生态建模、环境容量评估等具有重要意义。渤海是我国唯一的内海，面积仅占我国海区总面积的1.6％，却承载着全国近一半的排污量，海水富营养化严重。本项目拟以渤海为研究区域，利用15N稳定性同位素技术测定沉积物中反硝化与厌氧氨氧化脱氮速率，揭示脱氮速率的时空变化特征及其与环境因子（如温度、盐度、重金属、石油烃等）的关系；以相关功能基因（nirS，nirK，nosZ和hzo）为分子标记，利用群落指纹图谱分析及定量PCR，揭示反硝化与厌氧氨氧化菌群落结构和丰度的时空动态，探讨功能基因及其表达（mRNA）丰度与脱氮速率之间的耦合关系。研究结果有望为探索近海氮输出规律、估算渤海氮容量及海岸带功能区划分等提供理论依据。

氮超载是引起近海水体富营养化的主要因素。反硝化及厌氧氨氧化过程可以将环境中的氮转化为N2O或N2释放到大气中，是海洋氮输出的主要途径。在全球氮排放量逐年增加，海洋环境日益恶化的背景下，研究反硝化和厌氧氨氧化在海洋氮输出中的地位和作用，解析氮输出过程的微生物学机制，了解氮输出过程及相关功能微生物对环境因子的响应，将对海洋氮的生物地球化学循环与影响机制有更加深刻的认识，对海洋生态系统富营养化演变过程和防止富营养化发生具有重要意义。本项目以富营养化的渤海、北黄海为研究区域，利用15N稳定性同位素技术测定沉积物中反硝化和厌氧氨氧化的速率，揭示氮输出速率的时空变化特征及与环境因子（如温度、盐度、pH、沉积物类型等）的关系；以相关功能基因（nirS，nirK，nosZ和hzo）为分子标记，利用T-RFLP、克隆文库及定量PCR技术，揭示反硝化与厌氧氨氧化菌群落结构和多样性的时空动态，探讨功能基因及其表达（mRNA）丰度与脱氮速率之间的耦合关系。主要结果如下：渤海、北黄海总脱氮速率夏季高于冬季，渤海高于北黄海，脱氮速率最高的区域出现在渤海中部；反硝化是主要的脱氮过程，厌氧氨氧化的贡献率在6.5%-46.1%之间，冬季厌氧氨氧化的贡献率明显高于夏季，贡献率最高的区域位于近黄河口和莱州湾口的海域。沉积物粒径、孔隙水NO3-含量以及底层海水盐度是影响厌氧氨氧化速率的关键因子，而底层海水温度、盐度和孔隙水中NO2-含量则显著影响厌氧氨氧化的贡献率。反硝化nirS、nirK基因丰度远高于nosZ基因，而nosZ基因丰度又远高于anammox的16S rRNA基因，从基因角度证明反硝化是这两个海域的主要脱氮途径，而且，N2O可能是主要产物形式；Anammox的16S rRNA基因丰度与其活性和贡献率呈显著的正相关；反硝化和厌氧氨氧化菌群落结构均呈现显著的季节特征，厌氧氨氧化菌还表现出对离岸距离和径流输入的高度敏感，在近黄河口的近岸沉积物中发现了多种厌氧氨氧化菌类群。沉积物孔隙水NO2-和重金属含量是影响反硝化和厌氧氨氧化菌群落结构和丰度最主要的环境因素。研究结果为渤海、北黄海氮污染控制和环境容量估算提供了理论依据，也为全球海洋氮的生物地球化学循环提供了数据补充。