南海亚硝酸盐氧化过程分布特征与控制因子

发布时间：2020-04-04 18:37

【摘要】：氮作为生物生长必需的营养元素,限制着海洋的生物生产力,在整个海洋生物地球化学循环中扮演着重要角色。硝化作用是指氨氮(NH4+)通过海洋氨氧化细菌或古菌的作用被氧化成亚硝酸盐(NO2-),进一步经亚硝酸盐氧化菌最终氧化成为硝酸盐(NO3-)的过程,该过程改变了海洋浮游植物依赖的无机氮的形态分布,链接着氮素的迁入迁出,是复杂海洋氮循环过程的核心迁移路径。一直以来,氨氧化过程被视为硝化作用的限速步骤,也是硝化过程相关研究的主要聚焦点,而作为NO3-直接来源的亚硝酸盐氧化作用却没有得到相应的重视。当前,我们对于海洋亚硝酸盐氧化过程的认识知之甚少,而在一些特定层位,NO2-出现累积的现象,例如真光层底部出现的PNM,这与氨氧化是硝化过程的限速步骤的观点相悖但是仍缺乏统一认知,因此,加强对于海洋亚硝酸盐氧化过程的研究具有重要的科学意义。以寡营养的南海海域为研究对象,利用人工同位素标记物示踪培养技术和分子生物学技术,本研究调查了夏季南海亚硝酸盐氧化过程速率和功能微生物的垂直分布特征,并进一步对氨氧化和亚硝酸盐氧化动力学特征进行分析。基于本研究结果,对于PNM的形成和维持机制,以及亚硝酸盐氧化作用与新生产力的关系进行讨论,提出了不同阶段下氨氧化与亚硝酸盐氧化速率的相对关系决定了亚硝酸盐浓度的垂直分布特征的猜想。有效去除添加的15N-N02-是准确测试亚硝酸盐氧化速率的重要基础。时间序列培养,利用氨基磺酸去除N02-之后,获得了 15NO3-稳定的增长速率,说明我们对于15N-N02-的去除效率稳定,同时选择的培养方式合理,在培养期间,群落结构的改变或氨氧化作用导致的稀释效应对于速率的计算无显著影响,亚硝酸盐氧化速率结果可靠。夏季南海的亚硝酸盐氧化速率跨越4个量级,从低于检测限(0.001 nmolL-1d-1)到26.50 nmol L-1d-1。其中,2016年在SEATS站测到的水柱最大亚硝酸盐氧化速率(NOM)为13.73nmolL-1 d-1,2017年在SEATS站测到的NOM与2016年比较接近,为8.04 nmol L-1 d-1。在垂直分布上,夏季南海的亚硝酸盐氧化速率呈现出次表层极大值的“单峰”模式。受光抑制,以及浮游植物对于底物NO2-的竞争影响,表层的亚硝酸盐氧化速率通常较低甚至低于检测限;到混合层底部至真光层底部,速率迅速增大;而在中深层由于底物NO2-的供应逐渐减少,速率逐渐降低。在亚硝酸盐氧化菌(NOB)的分布特征上,Nitrospina和Nitrospira在5-200 m也会出现极大值,但某些站位会出现“双峰”的分布模式。Nitrospina的丰度一般高于Nitrospira,表明在夏季南海海盆区NOB的主导类群是Nitrospina。两者丰度极大值出现的深度与氨氧化速率和亚硝酸盐氧化速率极大值层位都不耦合,暗示了微生物丰度与活性分布之间复杂的调控关系。在南海调查底物浓度对亚硝酸盐氧化作用的影响时,发现底物N02-的浓度与亚硝酸盐氧化速率之间符合米氏方程,Km的平均值为0.21±0.11 μmolL-1,与东赤道北太平洋所测得的Km值(0.25±0.16pμmolL-1)比较接近(Sunetal.,2017),但比纯株培养的NOB的Km值低了 1-3个数量级(Nitrobacter,Nitrotoga and Nitrospira;Ks=6-544μmol L-1)(Blackburne et al.,2007;Nowka et al.,2015;Ushiki etal.,2017)。南海的NOB(猜测可能主要是Nitrospina)表现出对NO2-更高的亲和力,暗示了其能够适应低N02-的海洋环境。此外,随着深度的增加,Km值不断降低,猜测可能是因为NOB的群落结构或者活性种类不同导致的。在真光层(1%PAR)中,亚硝酸盐氧化速率与NO2-浓度之间,没有显著的相关性。而在无光区,亚硝酸盐氧化速率与N02-浓度之间存在显著的线性相关关系(R2=0.908,p＜0.05),暗示着光是影响真光层亚硝酸盐氧化作用的一个重要的影响因子。而且在SS1站位的光暗对比试验中,暗培养条件下的亚硝酸盐氧化速率比原位光培养条件下的速率高,直接证明了光对亚硝酸盐氧化过程有抑制作用,是调控真光层内亚硝酸盐氧化的关键环境因子;而在无光区,底物浓度是控制亚硝酸盐氧化的主要因子。氨氧化和亚硝酸盐氧化速率在真光层中的垂直分布和100 m的水柱积分结果,都表明在真光层中氨氧化速率大于亚硝酸盐氧化速率,这意味着在真光层中氨氧化过程并非是硝化作用的限速步骤,NOB对于光可能更敏感,而且可能正是因为AOA、AOB和NOB对光的敏感程度不同,导致了 N02-在真光层内的累积。当前的研究都是将光区的氨氧化作为修正新生产力的参数,但亚硝酸盐氧化才是NO3-的实质贡献路径。根据本研究,真光层内氨氧化与亚硝酸盐酸盐氧化速率之间存在显著的差异,所以应当以亚硝酸盐氧化而非氨氧化作为新生产力修正的依据。本研究有助于填补当前对于有氧海区亚硝酸盐氧化过程的研究空白,揭示寡营养盐海区PNM的形成和维持机制,同时对生物泵输出效率和新生产力的准确量化提供新的理论支持。
【图文】：

曲线图,米氏方程,曲线图,底物浓度

第１章绪论逦逡逑（ｆｉｒｓｔ邋ｏｒｄｅｒ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ）；而当底物浓度处于中间范围时，，反应（相对于底逡逑混合级反应（ｍｉｘｅｄｏｒｄｅｒｒｅａｃｔｉｏｎ）。当底物浓度增加到一定程度时，反应逡逑不再增加，达到最大速度，反应为零级反应（ｚｅｒｏ邋ｏｒｄｅｒ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ）（王镜岩，逡逑）。米氏方程曲线图如１－３所示：逡逑

站位,南海北部,位图,南海

又搭载厦门大学的“嘉庚号”科学考察船参加ＣＨＯＩＣＥ－Ｃ邋ＩＩ航次，历时２３天，逡逑在ＳＥＡＴＳ和ＳＳ１站，获取更高分辨率的亚硝酸盐氧化速率样品。具体采样站位逡逑图如图２－２所示：逡逑２５°Ｎ逦＾邋—逡逑２0°Ｎ逦Ｆ６逦｜逡逑…逦Ｋ；邋ＳＥＡＴＳ逦ｌ逡逑ｉ逦Ｉ逡逑Ｗ邋Ｊｒ＾邋＞邋＾５逡逑１０°Ｎ逦逦逦逡逑１１０°Ｅ逦１１５°Ｅ逦１２０°Ｅ逡逑图２－２夏季南海采样站位图，蓝点为２０１６年南海北部航次懫样站位，红点为逡逑２０１７年中部航次懫样站位，其中在ＳＥＡＴＳ站两个航次都有懫样。逡逑Ｆｉｇ．２－２．邋Ｓａｍｐｌｉｎｇ邋ｓｔａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｓｏｕｔｈ邋Ｃｈｉｎａ邋Ｓｅａ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｓｕｍｍｅｒ．邋Ｃｒｕｉｓｅ邋ｗａｓ逡逑ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ＮＳＦＣ邋ｉｎ邋２０１６邋（ｂｕｌｅ邋ｄｏｔ）邋．邋Ｃｒｕｉｓｅ邋ｗａｓ邋ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ逡逑ＣＨＯＩＣＥ－Ｃ邋ＩＩ邋ｉｎ邋２０１７邋（ｒｅｄ邋ｄｏｔ）邋．邋Ｓａｍｐｌｅ邋ｗａｓ邋ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ邋ａｔ邋ＳＥＡＴＳ邋ｓｔａｔｉｏｎ邋ｂｏｔｈ逡逑ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｗｏ邋ｃｒｕｉｓｅ．逡逑１９逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P734

【参考文献】