渤海和南黃海沉積物中氨氧化微生物對硝化潛勢的相對貢獻

李明月，甄毓 ，李思琦 ，米鐵柱 ，賀惠

( 1. 山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2. 青島海洋科學(xué)技術(shù)試點國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室，山東 青島 266071；3. 中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；4. 中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，山東 青島 266003)

1 引言

全球氮超載是21世紀一個主要的環(huán)境問題，人類活動來源的大部分氮通過河流、地下水和大氣進入沿海海洋系統(tǒng)[1]。硝化作用與反硝化或厭氧氨氧化作用相結(jié)合，是生態(tài)系統(tǒng)中氮去除的重要途徑，而氮的去除很大程度上依賴于硝化作用的產(chǎn)物—亞硝酸鹽和硝酸鹽[2-3]。因此，研究近海生態(tài)系統(tǒng)中硝化作用的能力具有重要意義。硝化作用包括銨/氨轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的氨氧化過程和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程。氨氧化過程被認為是硝化作用的限速步驟，因為環(huán)境中很少會有亞硝酸鹽的大量積累[4]。因此，氨氧化能力通常用來表征硝化能力。潛在硝化速率是指在不受底物（ NH+4/NH3）限制情況下的硝化速率，在最優(yōu)條件下，向培養(yǎng)體系中添加足量的銨，并通過亞硝酸鹽和硝酸鹽生成量來計算潛在硝化速率[5]，潛在硝化速率可用于量化硝化潛勢[6]。

氨氧化過程主要由氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）和氨氧化細菌（Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB）來驅(qū)動，在AOA被發(fā)現(xiàn)之前[7-9]，人們一直認為AOB是氨氧化過程的唯一貢獻者。隨后，AOA被證明在多種環(huán)境中普遍存在，例如湖泊[10]、濕地[11]、土壤[12]、污水廠[13]、河口[14-16]和海洋系統(tǒng)[17-19]等。而且，研究表明，與AOB相比，AOA在許多環(huán)境（例如農(nóng)田土壤和海灣沉積物）中都占有優(yōu)勢[12,15,19]。但是，在某些環(huán)境（例如湖泊沉積物和河口沉積物）中則是AOB占優(yōu)勢[10,16]。結(jié)合現(xiàn)有研究報道，有學(xué)者認為，AOA在氮限制、低氧和酸性環(huán)境中更容易占有優(yōu)勢[20]，但迄今，科學(xué)家們并未在它們對硝化過程的相對貢獻上達成共識。因此，AOA和AOB對氨氧化過程的相對貢獻成為氮循環(huán)中最重要的熱點問題之一。

在海洋沉積物中，AOA和AOB的相對貢獻研究多基于分子生態(tài)學(xué)的方法，利用AOA和AOB氨單加氧酶基因（amoA）的豐度來比較AOA和AOB的重要性[17,21]。但是，首先，基于DNA功能基因豐度的研究不能代表AOA和AOB實際發(fā)揮功能的微生物數(shù)量；其次，有研究表明，AOB平均每個細胞的硝化潛勢是AOA的1～3倍[22]；最后，AOA和AOB功能基因豐度和硝化速率的準確關(guān)系并不明確；因此，AOA或AOB功能基因豐度不能直接代表其對氨氧化過程或硝化過程貢獻的多少。研究者開始結(jié)合潛在硝化速率的測定來進一步探討AOA和AOB對硝化過程的貢獻，但是，大部分研究都是直接測定總潛在硝化速率，通過AOA和AOB豐度與總潛在硝化速率的相關(guān)性來區(qū)分其對硝化作用的相對貢獻，但效果欠佳[10,15,23-25]。近幾年來，有研究者開始使用抗生素、炔烴類抑制劑和傳統(tǒng)硝化抑制劑等來抑制AOA或AOB，用培養(yǎng)實驗直接表征AOA和AOB的硝化潛勢，從而揭示其對硝化作用的相對貢獻[16,19,26-27]。然而，海洋沉積物中的相關(guān)研究較少，更缺乏跨海域大面積的研究。綜上，基于抑制劑區(qū)分AOA和AOB的硝化潛勢，用培養(yǎng)實驗直接表征海洋沉積物中AOA和AOB對硝化作用相對貢獻的研究十分必要。

渤海和黃海為典型半封閉型陸架邊緣海，沿岸河網(wǎng)交錯、人類活動區(qū)域密集，而且，黃、渤海水體停留時間較長[28-29]，因此，人類活動對其氮負荷等的影響可能比其他開放水域更為深遠。本研究以渤海和南黃海海域為研究區(qū)域，以表層沉積物為研究對象，通過室內(nèi)模擬培養(yǎng)實驗，結(jié)合環(huán)境因子數(shù)據(jù)，直觀地研究目標海域內(nèi)AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻。本研究對于闡明AOA和AOB對硝化作用的貢獻率具有重要意義，可為豐富近海氮元素的生物地球化學(xué)循環(huán)理論提供依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

2019年5月2-10日搭乘“中漁科102”號調(diào)查船、5月4日搭乘“北 斗”號 調(diào) 查 船 于 渤 海（294、1251、3562、5262、5094、6251、B22和B24站位）進行樣品采集；2019年4月12-17日搭乘“北斗”號調(diào)查船于南黃海（H6、H7、H9、H12、H16、H18、H20、H22、H27、H30、H31、H34站位）進行樣品采集（圖1）?，F(xiàn)場采集各站位沉積物樣品和底層水樣品，表層沉積物（1～3 cm）用箱式采泥器采集并充分混合后置于無菌封口袋內(nèi)并立即儲存于4℃冰箱，帶回實驗室后立即進行培養(yǎng)實驗。底層水樣品（5 L）通過船載CTD多參數(shù)溫鹽深儀進行采集，經(jīng)0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后，水樣分為兩份，一份儲存于-20℃冰箱以測定氨鹽（ NH+4）、亞硝酸鹽（ NO-2）、硝酸鹽（ NO-3）和磷酸鹽（ P O34-）濃度，另一份加入氯仿后常溫保存以測定硅酸鹽（ S iO23-）濃度[30]。

圖1 渤海和南黃海海域采樣站位Fig. 1 Sampling sites in the Bohai Sea and South Yellow Sea

2.2 環(huán)境因子測定

各站位底層水溫度、鹽度、電導(dǎo)率、溶解氧濃度和pH等理化參數(shù)通過船載CTD多參數(shù)溫鹽深儀進行原位測定。底層水樣帶回實驗室后，其 NH+4、 NO-2、和 SiO23-等營養(yǎng)鹽參數(shù)用Quaatro營養(yǎng)鹽自動分析儀（Seal Analytical Ltd.）測定[30]。

2.3 潛在硝化速率培養(yǎng)實驗

潛在硝化速率測定參考Bernhard等[23]和Zheng等[16]的方法。簡要步驟如下：取1.0 g沉積物（濕重）加入含30 mL海水（經(jīng)0.22 μm濾膜過濾并滅菌）的100 mL玻璃錐形瓶中；在錐形瓶中加入終濃度為300 μmol/L的NH4Cl和60 μmol/L的KH2PO4；將錐形瓶放置在震蕩培養(yǎng)箱中，以現(xiàn)場溫度、120 r/min在黑暗條件下連續(xù)震蕩培養(yǎng)；在培養(yǎng)期間的0 h、24 h、48 h和72 h進行取樣。樣品經(jīng)離心、過濾后立刻放入-20℃凍存，以測定 NO-2和 NO-3濃度。為了區(qū)分AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻，每個站位設(shè)置兩個實驗組，其中一個實驗組加入1.0 g/L的氨芐青霉素。作為一種β-內(nèi)酰胺抗生素，氨芐青霉素能在細胞生長過程中作用于細菌細胞壁，抑制細菌的生長，但不會對古菌產(chǎn)生影響[31]。因此，不添加氨芐青霉素的實驗組可表征AOA和AOB的總硝化潛勢，添加氨芐青霉素的實驗組可表征AOA的硝化潛勢。所有實驗組設(shè)置3個平行培養(yǎng)體系。

2.4 潛在硝化速率計算

潛在硝化速率根據(jù)每克沉積物中 NO-2和 NO-3含量隨時間的變化進行計算。通過0 h、24 h、48 h和72 h時 NO-2和 NO-3積累量進行線性回歸分析，回歸方程的斜率即為相應(yīng)培養(yǎng)體系的潛在硝化速率。每個站位的總潛在硝化速率通過未添加氨芐青霉素的實驗組進行計算，AOA的潛在硝化速率通過添加氨芐青霉素的實驗組進行計算，AOB的潛在硝化速率則為兩者之差。

2.5 統(tǒng)計分析

采用曼-惠特尼（Mann-Whitney）檢驗分析兩個獨立樣本之間的差異，皮爾森（Pearson）相關(guān)系數(shù)法分析兩組變量之間的相關(guān)性，曼-惠特尼檢驗、皮爾森相關(guān)性分析和潛在硝化速率回歸分析均通過R v4.0.3軟件實現(xiàn)。

使用R v4.0.3中的vegan軟件包對潛在硝化速率和環(huán)境因子數(shù)據(jù)執(zhí)行約束性排序分析，分析環(huán)境因子對硝化潛勢的影響。首先通過去趨勢對應(yīng)分析（Detrended Correspondence Analysis, DCA）選擇線性排序冗余分析（Redundancy Analysis, RDA），然后通過蒙特卡羅置換檢驗（置換次數(shù)為999）驗證環(huán)境因子對潛在硝化速率分布解釋量的顯著性，并通過函數(shù)envfit檢驗每個環(huán)境因子對潛在硝化速率影響的顯著性。當(dāng)環(huán)境因子數(shù)量較多時，通過BIOENV分析挑選最佳環(huán)境因子組合后，再進行約束性排序分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)境因子分析

各站位環(huán)境因子參數(shù)如表1所示，在目標海域內(nèi)，站位水深范圍為13.0～81.0 m，除H27站位水深最淺外，南黃海所有站位深度均大于渤海，渤海和南黃海海域水深具有顯著差異（曼-惠特尼檢驗，p＜0.01）。站位溫度范圍為8.50～12.30℃，渤海和南黃海海域底層水溫度無顯著性差異（p＞0.05）。站位鹽度范圍為29.82～33.44，與深度具有顯著正相關(guān)性（皮爾森相關(guān)性，r=0.653，p＜0.01），渤海站位鹽度顯著低于南黃海站位鹽度（p＜0.01）。站位電導(dǎo)率范圍為33.54～37.38 mS/cm，與溫度和鹽度具有顯著正相關(guān)性（r=0.588，p＜0.01；r=0.731，p＜0.001），渤海站位電導(dǎo)率顯著低于南黃海站位（p＜0.01）。站位溶解氧濃度范圍為7.81～9.85 mg/L，與溫度具有顯著負相關(guān)性（r=-0.539，p＜0.05），渤海和南黃海海域底層水溶解氧濃度無顯著性差異（p＞0.05）。站位pH范圍為8.17～8.63，與深度和鹽度具有顯著負相關(guān)性（r=-0.587，p＜0.01；r=-0.581，p＜0.01），渤海站位pH顯著高于南黃海站位（p＜0.001）?？傮w來說，渤海海域水深、鹽度、電導(dǎo)率均顯著小于南黃海，pH顯著高于南黃海，而溫度和溶解氧濃度則無顯著差異。

表1 渤海和南黃海海域采樣站位底層水理化參數(shù)Table 1 Physiochemical parameters of bottom water in sampling sites of Bohai Sea and South Yellow Sea

整體來看，渤海海域營養(yǎng)鹽參數(shù)均小于南黃海海域，其中， N O-2濃 度、濃度和 S iO23-濃度具有顯著差異（p＜0.05）。具體來說， N H+4濃度為2.393～6.105 μmol/L，濃度較高的站位為H6、H18和H16（表1）。 NO-2濃度和 NO-3濃度分 別為0.064～0.713 μmol/L和0.215～13.366 μmol/L， NO-2和 NO-3濃 度 較 低 的 站 位 均 為1251和H9， NO-2濃度最高的站位為H20， NO-3濃度較高的站位依次為5094、H30和H27。 PO34-濃度為0.028～0.937 μmol/L， SiO23-濃度為1.253～16.277 μmol/L，濃度最高的站位均為H30。除 NO-3外，水深和營養(yǎng)鹽參數(shù)具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r＞0.593，p＜0.01），而溫度對營養(yǎng)鹽參數(shù)無顯著影響（p＞0.05）。此外， NO-2濃度與鹽度和電導(dǎo)率具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r＞0.447，p＜0.05），而與溶解氧濃度具有顯著的負相關(guān)關(guān)系（r=-0.511，p＜0.05）； PO34-濃度與鹽度和電導(dǎo)率也具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r＞0.570，p＜0.01），而與pH具有顯著的負相關(guān)關(guān)系（r=-0.954，p＜0.001）； SiO23-濃度與pH具有顯著的負相關(guān)關(guān)系（r=-0.657，p＜0.01）。在各個營養(yǎng)鹽參數(shù)之間， NO-2濃 度與 NH+4、和 SiO23-濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r＞0.447，p＜0.05）；濃度與 NO-3和 PO34-濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r＞0.608，p＜0.01）。

3.2 培養(yǎng)過程中 N O-2 濃度和 N O-3濃度的變化

圖2和圖3展示了各站位表層沉積物培養(yǎng)體系（含1 g沉積物和30 mL海水）中 NO-2和 NO-3隨時間的積累量（以氮計，下同），在不受 NH+4限制的情況下，所有培養(yǎng)體系中 NO-2和 NO-3濃度均持續(xù)上升，表明硝化過程活躍。其中，未添加氨芐青霉素的培養(yǎng)體系代表AOA和AOB共同驅(qū)動下 NO-2和 NO-3積累量隨時間的變化情況，添加氨芐青霉素的培養(yǎng)體系代表AOA驅(qū)動下 NO-2和 NO-3積累量隨時間的變化情況。結(jié)果表明，氨芐青霉素的添加能很好地抑制細菌的生長，以此區(qū)分細菌和古菌對硝化潛勢的相對貢獻（圖2，圖3）。

圖2 渤海海域各站位表層沉積物樣品培養(yǎng)體系中亞硝酸鹽和硝酸鹽積累量Fig. 2 The accumulation of nitrite and nitrate during the cultures of surface sediment samples from Bohai Sea

圖3 南黃海海域各站位表層沉積物樣品培養(yǎng)體系中亞硝酸鹽和硝酸鹽積累量Fig. 3 The accumulation of nitrite and nitrate during the cultures of surface sediment samples from South Yellow Sea

3.3 潛在硝化速率的分布特征

渤海和南黃海海域表層沉積物中潛在硝化速率如圖4所示，渤海海域表層沉積物總潛在硝化速率（以氮計，下同）為0.060 9～0.283 1 μmol/（g·d），其中AOA潛 在 硝 化 速 率 為0.036 4～0.274 3 μmol/（g·d），AOB潛在硝化速率為0.001 4～0.024 5 μmol/（g·d）；南黃海海域表層沉積物總潛在硝化速率為0.004 6～0.068 7 μmol/（g·d），其中AOA潛在硝化速率為0.004 3～0.030 2 μmol/（g·d），AOB潛 在 硝 化 速 率 為0.000 4～0.056 0 μmol/（g·d）。渤海海域總潛在硝化速率顯著高于南黃海海域（曼-惠特尼檢驗，p＜0.001），AOA潛在硝化速率也顯著高于南黃海海域（p＜0.001），但AOB潛在硝化速率與南黃海海域無顯著差異（p＞0.05）。

圖4 渤海和南黃海海域表層沉積物中潛在硝化速率Fig. 4 The potential nitrification rates in surface sediments of Bohai Sea and South Yellow Sea

圖5展示了總潛在硝化速率、AOA和AOB潛在硝化速率在渤海和南黃海海域的分布情況。在渤海海域，總潛在硝化速率、AOA潛在硝化速率均在5094和1251站位具有較大值，遠高于其他站位；AOB潛在硝化速率則在B22、B24和294站位出現(xiàn)較大值（圖4，圖5）。5094和1251站位離海岸較近，B22和B24站位離海岸較遠，因此，推測在渤海海域近海岸硝化潛勢高于遠海岸，AOA在離岸較近的地方更活躍，AOB在離岸較遠的地方更為活躍（圖5）。南黃海海域未表現(xiàn)出上述規(guī)律，H27站位總潛在硝化速率、AOA和AOB潛在硝化速率均呈現(xiàn)出最低值，說明該站位硝化作用較弱；H18站位總潛在硝化速率和AOB潛在硝化速率均表現(xiàn)出最高值，但是其平行培養(yǎng)體系間差別較大（圖4），若去除一個極大值，則H20和H22站位表現(xiàn)出較高的潛在硝化速率（圖4，圖5）。

圖5 渤海和南黃海海域表層沉積物潛在硝化速率分布Fig. 5 The distribution of potential nitrification rates in surface sediments of Bohai Sea and South Yellow Sea

3.4 氨氧化古菌和氨氧化細菌對硝化潛勢的相對貢獻

無論是總體分析，還是各海域單獨分析，AOA對硝化潛勢的貢獻都顯著高于AOB（曼-惠特尼檢驗，p＜0.05）（圖6），特別是渤海海域，AOA對硝化潛勢的貢獻遠高于AOB（p＜0.001），貢獻為59.79%～97.95%，AOA和AOB硝化潛勢的比值為1.49～47.82；南黃海海域則分別為18.47%～94.26%和0.22～16.41。對于渤海海域，3562、5094和1251站位AOA對硝化潛勢的貢獻率較大，且均離海岸較近（圖6）。在南黃海海域，AOA對硝化潛勢貢獻率較大的站位依次為H7、H27和H6，而H12和H18站位則是AOB對硝化潛勢的貢獻高于AOA（圖6）。

圖6 渤海和南黃海海域表層沉積物中AOA對硝化潛勢貢獻的分布Fig. 6 The distribution of the contributions of AOA to nitrification potential in surface sediments of Bohai Sea and South Yellow Sea

3.5 環(huán)境因子對氨氧化古菌和氨氧化細菌硝化潛勢的影響

DCA結(jié)果表明，RDA更適合對所有站位的潛在硝化速率和環(huán)境因子進行約束性排序分析（圖7a）。兩個排序軸的解釋量分別為80.34%和1.41%，結(jié)果同樣表明，渤海海域站位和南黃海海域站位潛在硝化速率分布具有明顯差異（圖7a）。蒙特卡洛全模型置換檢驗結(jié)果表明環(huán)境因子對潛在硝化速率的解釋量不具有顯著性（p＞0.05），但是，鹽度（p＜0.05）、電導(dǎo)率（p＜0.05）、pH（p＜0.01）和 PO34-濃度（p＜0.01）顯著影響渤海和南黃海海域潛在硝化速率的分布。其中，pH對渤海各站位的潛在硝化速率分布影響大于南黃海，鹽度、電導(dǎo)率和 PO34-濃度則對南黃海海域的潛在硝化速率影響更大，因此，不同海域影響硝化潛勢的關(guān)鍵環(huán)境因子可能存在差異，這一現(xiàn)象有不少報道，例如，在不同區(qū)域潮間帶沉積物中，影響潛在硝化速率的環(huán)境因子也存在差異[16,32]。皮爾森相關(guān)性分析表明，總潛在硝化速率和AOA潛在硝化速率與pH呈正相關(guān)關(guān)系，與水深、鹽度和電導(dǎo)率呈負相關(guān)關(guān)系（圖7b，|r|＞0.495，p＜0.05）。前文差異分析也表明，渤海海域總潛在硝化速率、AOA潛在硝化速率和pH顯著高于南黃海海域，深度、鹽度和電導(dǎo)率則顯著低于南黃海海域。此外，總潛在硝化速率和AOA潛在硝化速率與PO34-濃度、總潛在硝化速率與 S iO23-濃度也呈現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系（|r|＞0.454，p＜0.05）。

圖7 潛在硝化速率和環(huán)境因子RDA和皮爾森相關(guān)性分析Fig. 7 RDA and Pearson correlation analysis of potential nitrification rates and environmental parameters

對渤海8個站位潛在硝化速率和環(huán)境因子進行分析，通過BIOENV篩選出6個環(huán)境因子，即鹽度、電導(dǎo)率、pH、 NH+4濃 度、濃度和 SiO23-濃度，進行約束性排序分析。RDA分析結(jié)果如圖7c所示，兩個排序軸的解釋量分別為97.91%和0.85%，蒙特卡洛置換檢驗結(jié)果表明，上述環(huán)境因子對潛在硝化速率的解釋量不具有顯著性，且單個環(huán)境因子的影響也不具有顯著性（p＞0.05）。皮爾森相關(guān)性分析表明（圖7d），總潛在硝化速率和AOA潛在硝化速率與 NO-3濃度呈正相關(guān)關(guān)系（r＞0.798，p＜0.05），例如，在5094站位， NO-3濃度高于其他站位（表1），硝化潛勢也高于其他站位（圖4）。此外，AOB潛在硝化速率與pH具有顯著的負相關(guān)關(guān)系（r=-0.772，p＜0.05），而與 PO34-濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.807，p＜0.05）。

對南黃海12個站位潛在硝化速率和環(huán)境因子進行分析，通過BIOENV篩選出6個環(huán)境因子，即鹽度、溶解氧濃度、pH、 NH+4濃度、 P濃度和 SiO23-濃度，進行約束性排序分析。RDA結(jié)果如圖7e所示，兩個排序軸的解釋量分別為52.58%和11.45%，蒙特卡洛置換檢驗結(jié)果表明，上述環(huán)境因子對潛在硝化速率的解釋量不具有顯著性，且單個環(huán)境因子的影響也不具有顯著性（p＞0.05）。皮爾森相關(guān)性分析表明（圖7f），總潛在硝化速率與鹽度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.606，p＜0.05），總潛在硝化速率和AOB潛在硝化速率與溶解氧濃度具有顯著的負相關(guān)關(guān)系（|r|＞0.662，p＜0.05），而AOA潛在硝化速率與 NO-2濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.589，p＜0.05）。

黃、渤海20個站位AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻與環(huán)境因子均不存在顯著相關(guān)性（皮爾森相關(guān)性，p＞0.05），AOA和AOB硝化潛勢的比值與鹽度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（r=-0.481，p＜0.05），與pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.562，p＜0.01），與 PO34-濃度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（r=-0.534，p＜0.05）（圖8a）。渤海8個站位AOA對硝化潛勢的相對貢獻與pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.723，p＜0.05），與P O34-濃度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（r=-0.792，p＜0.05），AOB對硝化潛勢的相對貢獻與pH和 PO34-濃度則表現(xiàn)出相反的相關(guān)關(guān)系（圖8b）。此外，AOA和AOB硝化潛勢的比值與 SiO23-濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.768，p＜0.05）（圖8b）。南黃海海域AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻以及AOA和AOB硝化潛勢的比值與環(huán)境因子均不存在顯著相關(guān)性（p＞0.05，圖8c）。

圖8 AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻及AOA和AOB硝化潛勢的比值與環(huán)境因子皮爾森相關(guān)性分析Fig. 8 Pearson correlation analysis between the relative contribution to nitrification potential of AOA and AOB and the nitrification potential of AOA to AOB with the environmental parameters

4 討論

由于溶解氧和底物不受限制，潛在硝化速率通常遠高于原位硝化速率。Dang等[33]的研究表明，凈硝化速率低于潛在硝化速率，但是僅低11.1%～61.1%。一些研究證明，潛在硝化速率與原位硝化速率具有很好的相關(guān)性，能用來表征原位硝化能力的高低[34-35]。渤海和南黃海海域表層沉積物中總潛在硝化速率為0.004 6～0.283 1 μmol/（g·d），低于其他河口或近海岸沉積物[16,18-19,23-24,32]。例如，美國馬塞諸塞州Plum Island Sound河口沉積物（干重）潛在硝化速率為0～0.35 μmol/（g·d）[23]；崇明島東部潮間帶沉積物潛在硝化 速 率 為0.55～0.98 μmol/（g·d）（夏 季）和0.05～0.17 μmol/（g·d）（冬季）[32]；長江口潮間帶沉積物潛在硝 化 速 率 為0.10～4.48 μmol/（g·d）（夏 季）和0.07～0.74 μmol/（g·d）（冬季）[16]；遼河口海岸沉積物潛在硝化速率為0.000 1～0.336 8 μmol/（g·d）（春季）[24]；乳山灣鄰近海域沉積物中潛在硝化速率為0.782～1.666 μmol/（g·d）（夏季，顯著高于冬季）[18-19]。而且，在渤海海域，潛在硝化速率一般在近岸站位較高，綜上推測，河口和近海岸沉積物硝化潛勢總體高于遠海岸沉積物硝化潛勢，這可能是因為近海更容易受到來自陸地的氮污染的影響。

由于細菌和古菌的細胞被膜以及中樞代謝和信息過程存在巨大差異，常見的抑制細菌的抗生素往往不會對古菌造成影響[36]。因此，抗生素是常用來區(qū)分AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻的抑制劑類型之一。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)抗生素可能會降低AOA的多樣性[37]。此外，需要注意的是，抗生素的抑制作用表現(xiàn)出一定的時效性，例如，Wang等[38]發(fā)現(xiàn)18 d后氨芐青霉素對硝化作用的抑制效應(yīng)開始減弱，這可能是由于其自身的降解或微生物的適應(yīng)性。本研究的培養(yǎng)周期為3 d，氨芐青霉素能較好地發(fā)揮抑制效果，以區(qū)分AOA和AOB對硝化作用的相對貢獻。研究表明，AOA和AOB對硝化潛勢的相對貢獻受到時間和空間的影響[16,19]。在長江口潮間帶夏季和冬季沉積物中，添加和未添加氨芐青霉素的培養(yǎng)體系不存在顯著差異，添加青霉素后硝化潛勢僅下降了13.1%～26.6%，說明該區(qū)域AOA對硝化潛勢的貢獻率更大[16]。在乳山灣鄰近海域沉積物中，AOA對硝化潛勢的貢獻在冬季高于AOB，在夏季則小于AOB[19]。本研究結(jié)果表明，在春季渤海和南黃海海域沉積物中，除南黃海H12和H18站位外，其他站位AOA對硝化潛勢的貢獻均高于AOB。以上研究表明，在河口及近海沉積物中，AOA的潛在硝化速率高于AOB，AOA在硝化作用中占有更加重要的地位，許多基于AOA和AOB豐度測定的分子生態(tài)學(xué)方法也證明了這一點[14-15,19,23]。然而，在一些淡水生態(tài)系統(tǒng)沉積物中，AOB對硝化過程的貢獻常常高于AOA[10,33]。

一直以來，鹽度對硝化速率的影響一直是研究者關(guān)注的焦點。鹽度是影響河口沉積物中硝化速率的主要因素，通常隨著鹽度的增加，硝化速率會降低[16,23]，乳山灣鄰近海域也發(fā)現(xiàn)了鹽度和潛在硝化速率顯著的負相關(guān)性[19]。在本研究黃渤海海域，AOA和總潛在硝化速率均與鹽度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與先前研究具有一致性；AOB潛在硝化速率與鹽度呈正相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)性不顯著（圖7）。鹽度對硝化作用的影響，一方面是因為沉積物中 NH+4的吸收受到鹽度的影響，另一方面則是因為鹽度對微生物代謝的影響[39-40]。在本研究的潛在硝化速率培養(yǎng)體系中， NH+4的添加及連續(xù)震蕩培養(yǎng)，可以排除第一方面的原因。此外，電導(dǎo)率也是影響黃、渤海海域硝化潛勢的一個重要環(huán)境因子。電導(dǎo)率與鹽度具有一定的關(guān)系，可以通過鹽度和溫度進行換算，常用來表征鹽度的高低[41]。安第斯山高緯度濕地沉積物研究表明，氨氧化潛能隨著電導(dǎo)率的升高而降低[41]。但是，渤海海域和南黃海海域單獨分析時，鹽度卻沒有與潛在硝化速率表現(xiàn)出顯著的負相關(guān)關(guān)系，推測是因為在單個海域內(nèi)，鹽度的變化范圍較小。

渤海和南黃海海域總體分析及渤海海域單獨分析均未發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度與潛在硝化速率具有顯著相關(guān)性，而南黃海海域單獨分析發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度和總潛在硝化速率及AOB潛在硝化速率具有顯著負相關(guān)關(guān)系。好氧氨氧化為嚴格需氧過程，溶解氧濃度對AOA和AOB活動應(yīng)該具有一定的促進作用[42]。推測是因為在潛在硝化速率培養(yǎng)實驗中，氨氧化微生物不受溶解氧濃度的限制，潛在硝化速率與現(xiàn)場溶解氧濃度未表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。此外，潛在硝化速率沒有表現(xiàn)出與溫度的顯著相關(guān)性。以前發(fā)現(xiàn)的AOB均屬于中溫細菌，最適生長溫度一般在20～30℃[42]，AOA對溫度有極強的適應(yīng)能力[43]。因此，在溫度范圍為8.50～12.30℃的春季黃、渤海海域，AOA是硝化潛勢的主要貢獻者。因其對溫度變化適應(yīng)性較好，因而未表現(xiàn)出隨溫度變化而變化的特征。

NH+4濃度對氨氧化速率（或硝化速率）具有重要作用。Christman等[17]在北冰洋沿岸水體中發(fā)現(xiàn)， NH+4濃度較高的冬天，潛在硝化速率也隨之升高。Hou等[10]在太湖和巢湖沉積物中發(fā)現(xiàn)，潛在硝化速率隨營養(yǎng)程度的增加而增加，但是Chang等[24]在遼河口的研究卻表現(xiàn)出相反的趨勢，營養(yǎng)物濃度高的站位，潛在硝化速率反而低，營養(yǎng)物質(zhì)低的站位速率反而高。在本研究的渤海海域表層沉積物中， NH+4濃度與總潛在硝化速率、AOA和AOB潛在硝化速率均沒有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。在潛在硝化速率培養(yǎng)實驗中，氨氧化微生物不受底物 NH+4的限制，這可能是潛在硝化速率與原位 NH+4濃度沒有顯著相關(guān)性的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，和AOB相比，AOA對 NH+4的親和力更高，更適合寡營養(yǎng)環(huán)境[12]，這也是AOB在淡水生態(tài)系統(tǒng)中占主要地位，AOA則在海洋生態(tài)系統(tǒng)中占主要地位的原因之一。本研究20個站位 N H+4濃度為2.393～6.105 μmol/L，遠低于一些淡水生態(tài)系統(tǒng)[10]，因此，AOA在生長及硝化作用中占有主要優(yōu)勢。

然而，渤海8個站位AOA潛在硝化速率和總潛在硝化速率與 NO-3濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。Dang等[33]也發(fā)現(xiàn)，AOB對硝化潛勢貢獻更大的水庫沉積物中，AOB和總凈硝化速率與 N O-3濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。通常，作為硝化過程的產(chǎn)物， N O-3濃度并不會作為AOA和AOB參與硝化作用的一個關(guān)鍵環(huán)境因子。雖然，原位 NO-3濃度不會對AOA和AOB本身產(chǎn)生直接影響，但是其濃度的高低很可能反映了環(huán)境中氨氧化作用的強弱，這就解釋了硝化潛勢與NO-3濃度具有正相關(guān)關(guān)系的原因。

黃、渤海各站位pH顯著影響潛在硝化速率分布，且與AOA和總潛在硝化速率呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系（皮爾森相關(guān)性，r＞0.645，p＜0.01）。然而，研究表明，低pH沉積物中AOA對氨氧化作用的貢獻可能比高pH更突出[42]。但是，當(dāng)渤海海域和南黃海海域單獨分析時，pH和潛在硝化速率并不呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)性；黃、渤海海域一起分析時，pH和潛在硝化速率的顯著正相關(guān)性受到了渤海站位pH顯著高于南黃海站位的影響。因此，不同海域影響硝化潛勢的關(guān)鍵環(huán)境因子可能存在一定的差異，分別分析可能更有助于了解真正的關(guān)鍵環(huán)境因子。

5 結(jié)論

本研究表明，河口和近海岸沉積物硝化潛勢總體高于遠海岸；與AOB相比，AOA在氨氧化或硝化過程中起著更加重要的作用。此外，渤海海域硝化潛勢顯著高于南黃海海域；黃、渤海海域整體來看，鹽度是影響潛在硝化速率的關(guān)鍵環(huán)境因子，渤海海域分析則表明越高的 N O-3濃度可能指示著越高的硝化潛勢。

致謝：本研究采集樣品及CTD數(shù)據(jù)取自“黃渤海漁業(yè)資源調(diào)查項目”渤海春季（2019年5月）航次和“國家自然科學(xué)基金委共享航次計劃”2018年度項目渤黃海航次（航次編號：NORC2019-01）春季航次，分別由中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所“中漁科102”號和“北斗”號調(diào)查船實施，在此一并致謝。感謝中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院劉曉收教授和鐘鑫同學(xué)在樣品采集中給予的幫助，感謝中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院高志梅同學(xué)在環(huán)境因子分析中給予的幫助。