感潮河流沉積物中溶解氧對硝化細(xì)菌垂向分布的影響*

楊旭楠，林興銳，符詩雨，吳群河，張仁鐸

(中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

沉積物是水體的重要組成部分，在河水-沉積物系統(tǒng)中，沉積物是各種污染物的庫和源，在一定條件下污染物可以從沉積物中釋放，形成次生污染[1]。特別是在感潮河段，特殊的水動力條件使水團(tuán)趨于停滯，相對于在上游河段，污染物更容易在此沉積匯集，如營養(yǎng)鹽的存留使富營養(yǎng)化污染事件常發(fā)[2]。氮是水體富營養(yǎng)化的限制因子之一，主要通過硝化-反硝化過程從水中去除[3]。其中硝化反應(yīng)是轉(zhuǎn)化氨化反應(yīng)產(chǎn)生的氨氮及提供反硝化基質(zhì)(硝氮)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。硝化反應(yīng)是一個(gè)由硝化細(xì)菌促成的好氧過程，沉積物的溶解氧(DO)濃度直接影響到硝化細(xì)菌的豐度及其中氨氧化細(xì)菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)的比例，進(jìn)而影響氮在沉積物中的存在形態(tài)和消除率。

珠江廣州河段位于珠江經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)，多年來工業(yè)發(fā)展和密集的人口使水體承受嚴(yán)重的污染，同時(shí)又是感潮河段，沉積物中的氨氮比其他水系的高[5]。然而目前對高氨氮污染條件下的河流生態(tài)系統(tǒng)的氨去除細(xì)菌了解很少[6]，特別是沉積物硝化細(xì)菌的垂向分布及其受DO濃度的影響。因此，本研究以珠江廣州河段沉積物為研究對象，探索沉積物中DO濃度對硝化細(xì)菌的數(shù)量及其中AOB與NOB的比例的影響。

1 材料與方法

1.1 采樣

考慮到珠江廣州河段的水文水質(zhì)特點(diǎn)，本研究在有豐富陸源污染匯入的二沙島河道采樣。具體采樣地點(diǎn)(113°17′1.66″E，23°6′50.41″N)為二沙島第二碼頭灣，曾經(jīng)設(shè)有排污口，沉積物碳氮含量豐富[5]，距左岸100 m，河寬135 m，水深2.2 m。水面活動不影響沉積物采樣。

實(shí)驗(yàn)全程實(shí)行無菌操作。采用自制改良柱狀采樣器在采樣點(diǎn)采集6柱沉積物樣(直徑7 cm，長約50 cm)，采樣后一部份(3柱)立即用溶氧儀(SensION 6 Portable DO Meter, HACH)測量其垂直方向上的DO濃度，另一部分(3柱)密封，并立刻置于低溫(4 ℃)保存，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 指標(biāo)分析

1.2.2 硝化細(xì)菌數(shù)量的測定 對沉積柱進(jìn)行切割，分7層。7層分別為：0 cm(水土界面)；1(0.5～1.5 cm)；2(1.5～2.5 cm)；3(2.5～3.5 cm)；5(3.5～6.5 cm)；8(6.5～9.5 cm)；10(9.5～10.5 cm)。用MPN法[9]測定AOB和NOB的數(shù)量。

1.2.3 DO梯度實(shí)驗(yàn) 秤取原底泥柱表層泥樣1 g(含水率54%)，加入到裝有99 mL、pH=7.2磷酸緩沖液的150 mL燒杯中，用超聲波發(fā)生器(頻率為200 Hz)超聲振蕩1 min，以分散包埋在菌膠團(tuán)中的細(xì)菌。用pH=7.2磷酸緩沖液作逐級稀釋，從10-3稀釋到10-7。將上述不同稀釋度的樣品液各10 mL，分別接種于含100 mL經(jīng)修改的Buhospagckud培養(yǎng)基(硝化細(xì)菌培養(yǎng)基)的錐形瓶中，每一稀釋度重復(fù)接種5瓶。按DO濃度分為5組，0～1，1～2，2～4，4～6，6～8 mg/L，每組5個(gè)上述重復(fù)。28 ℃培養(yǎng)14 d。每12 h用溶氧儀測量DO，通入N2以維持其DO濃度在確定范圍內(nèi)，并用保鮮膜封住錐形瓶口以減慢DO的恢復(fù)。14 d后，用MPN法[9]測算錐形瓶中硝化細(xì)菌的總數(shù)、氨氧化細(xì)菌和亞硝化氧化細(xì)菌數(shù)。

2 結(jié) 果

2.1 沉積物的理化性質(zhì)的垂向分布

上覆水和沉積物(表層10 cm)中的DO分布如圖1，其中沉積物深度指水土界面以下的尺度。DO隨上覆水、沉積物深度逐漸下降。在上覆水中(3～0 cm)DO由0.36下降到0.26 mg/L。在沉積物中DO下降由快到慢，表層下降最快由0 cm處(水土界面)的0.26 mg/L到1cm的0.08 mg/L；然后隨深度加深DO遞減率逐漸下降，到達(dá)10 cm處已下降到0.02 mg/L趨于穩(wěn)定。表層沉積物的DO濃度范圍在0.02 mg/L到0.23 mg/L。

圖1 沉積物中溶解氧的垂向分布Fig.1 Vertical distribution of dissolved oxygen in sediment

pH值則隨深度變化不大，從上覆水(3～0 cm)的7.11輕微下降到10 cm的6.99。

如圖2所示，沉積物以粉砂(0.002～0.2 mm)為主，占67.4%～74.6%。最表層(0～1.2 cm)的黏粒(<0.002 mm)較多，為32.6%，下面各層差異不大(25.4%～26.9%)。

圖2 沉積物的機(jī)械組成Fig.2 Grain size distribution of sediment core

圖3 沉積物中和的垂向分布Fig.3 Vertical distributions of TOC, TN,

2.2 硝化細(xì)菌的垂向分布

硝化細(xì)菌分為AOB和NOB，其垂向分布如圖4。AOB：在0 cm處為次峰值9.8×104MPN/g；1～5 cm下降到較低數(shù)量；在8 cm時(shí)明顯增高達(dá)到峰值；總的數(shù)量范圍為0.8×104～33.6×104MPN/g。NOB：在0 cm處出現(xiàn)峰值65.2×104MPN/g；1 cm后下降到較低數(shù)量1.8×104～8.8×104MPN/g；在2～5 cm中數(shù)量均比NOB高，但到8 cm AOB數(shù)量顯著增加時(shí)，NOB數(shù)量沒有顯著變化。

圖4 沉積物中氨氧化細(xì)菌與亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的垂向分布Fig.4 Vertical distributions of ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria in sediment core

2.3 DO梯度硝化細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

AOB和NOB的數(shù)量與DO的關(guān)系如圖5。當(dāng)DO在0～2 mg/L的范圍內(nèi)，AOB和NOB的數(shù)量均較少，其中當(dāng)DO < 1 mg/L時(shí)，AOB的數(shù)量為NOB的8倍，而DO > 1 mg/L時(shí)，則是NOB多于AOB。DO在2～6 mg/L范圍內(nèi)，AOB和NOB的數(shù)量都達(dá)到培養(yǎng)的最大值，其中NOB明顯占優(yōu)勢，為AOB的14倍。當(dāng)DO值為6～8 mg/L時(shí)，AOB與NOB的數(shù)量相當(dāng)，且都有所下降?？傮w來說，NOB在DO小于3 mg/L時(shí)，受DO的影響比AOB更大。

圖5 溶解氧梯度下硝化細(xì)菌的數(shù)量Fig.5 Abundance of nitrifying bacteria under various dissolved oxygen concentration gradient

3 討 論

一般而言，DO濃度在沉積物5 cm深時(shí)已降為零[10]，然而本研究點(diǎn)在垂向深達(dá)10 cm仍然有DO的存在(圖1)。其主要原因與沉積物的機(jī)械組成和水體底棲動物的活動有關(guān)。Hauβels等[11]在英國Severn河口的研究表明，DO可通過砂質(zhì)沉積物的多孔結(jié)構(gòu)向下輸送。而本文的沉積物表層(0～10 cm)以粉砂為主(圖2)，粉砂的粒徑較大(0.002～0.2 mm)，有利于DO的垂向平流輸送。另外，Satoh等[12]的研究發(fā)現(xiàn)底層水生動物的洞穴在沉積物氧傳導(dǎo)中起重要作用。本文沉積物中即棲息了大量顫蚓[13]，其活動深度可達(dá)15 cm，其洞穴的存在可使水中DO直接接觸較深層的沉積物。如此，DO的垂向傳輸，為硝化細(xì)菌的生存提供了條件。如圖3可見除水-沉積物交界層有大量的硝化細(xì)菌外，在8 cm深度也出現(xiàn)了AOB的數(shù)量峰。Satoh等[12]發(fā)現(xiàn)大型底棲動物洞穴壁上的AOB數(shù)量可與沉積物表層相比。Dollhopf[14]認(rèn)為潛在硝化速率與大型底棲動物的豐度及活性有強(qiáng)烈的正相關(guān)。

圖6 各溶解氧濃度下氨氧化細(xì)菌與亞硝酸鹽氧化菌的數(shù)量比Fig.6 Ratios of ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria abundance under various dissolved oxygen concentration

4 結(jié) 論

1)DO濃度在沉積物中隨深度降低，達(dá)10 cm處仍有0.02 mg/L，主要與沉積物的機(jī)械組成和底棲動物的活動有關(guān)；此深度仍有硝化細(xì)菌存在。

2)硝化細(xì)菌的垂向分布主要受DO影響，其中NOB與DO的垂向分布顯著相關(guān)；AOB比NOB的氧親和性高，在深處低DO條件下AOB的數(shù)量比NOB大。

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