Spatial and seasonal pattern of microbial nitrate reduction in coastal sediments in the Vistula River plume area, Gulf of Gdansk  

维斯瓦河羽流区（格但斯克湾）沿岸沉积物中微生物硝酸盐还原的空间和季节模式  

来源：Frontiers in Marine Science  

《海洋科学前沿》  

 

摘要内容  

 

研究在波罗的海南部格但斯克湾的维斯瓦河羽流区，通过春季（低温高硝酸盐）和夏季（高温低硝酸盐）的原位沉积物培养实验，揭示了微生物硝酸盐还原过程（反硝化和异化硝酸盐还原为铵DNRA）的时空变化规律。研究发现：  

反硝化速率随深度增加，夏季显著高于春季，主要依赖沉积物内部硝化作用产生的硝酸盐（Dn占比>80%）  

DNRA仅在夏季显著增加，最高贡献率达37%（站点V10）  

沉积物整体氮去除效率低（<40%），但在高浓度硝酸盐输入时具有高达400 μmol/m²/h的反硝化潜力  

 

 

研究目的  

 

评估波罗的海沿岸沉积物在不同季节对陆地氮输入的缓冲能力，揭示温度、硝酸盐负荷和沉积物特性对氮去除（反硝化）与氮循环（DNRA）的调控机制，预测气候变化下极端水文事件对海岸带氮循环的影响。  

 

研究思路  

 

(1) 梯度设计：沿维斯瓦河口外海选择4个深度梯度站点（5-24米），形成沉积物有机质梯度  

(2) 季节对比：在春季高流量/低温（4°C）和夏季低流量/高温（18°C）进行采样  

(3) 过程量化：  

使用完整沉积物柱进行暗培养，测量溶质通量（O₂、NH₄⁺、NOx）  

 

¹⁵N同位素配对技术测定反硝化和DNRA速率  

 

硝酸盐浓度梯度实验（10-2000 μM）评估过程饱和特征  

 

(4) 环境关联：分析沉积物特性（有机质、C/N比）、大型底栖动物组成与氮过程的联系  

 

测量数据及研究意义（数据来源）  

 

(1) 沉积物特性（表2）：  

 

 

有机质含量（0.28%-2.05%）、孔隙度（0.27-0.52）、C/N比（6.95-9.87）  

 

意义：解释反硝化空间差异，显示深层站点更有利于氮去除  

 

(2) 溶质通量（图3）：  

 

氧气消耗速率：夏季（-3345 μmol/m²/h）比春季（-447 μmol/m²/h）高7倍  

 

NH₄⁺通量：夏季最高达452 μmol/m²/h（站点V10）  

 

硝化作用主导的NOx通量：夏季（93 μmol/m²/h）>春季（37 μmol/m²/h）  

 

(3) 微生物过程速率（图4）：  

 

反硝化总量：夏季（35 μmol/m²/h）>春季（10 μmol/m²/h）  

 

DNRA：夏季最高14.9 μmol/m²/h（站点V10）  

 

(4) 硝酸盐响应实验（图5）：  

 

最大反硝化潜力Vmax达688 μmol/m²/h（站点V18）  

 

半饱和浓度Km为306-859 μM  

 

结论  

 

(1) 温度是核心调控因子：夏季升温促进沉积物耗氧，缩短硝酸盐扩散路径，激活深层反硝化  

(2) 硝化-反硝化耦合主导：80%以上反硝化依赖沉积物内部硝化作用产生硝酸盐  

(3) 沉积物氮缓冲能力弱：原位条件下仅16-38%的无机氮被永久去除，大部分通过NH₄⁺和NOx再循环  

(4) 极端事件响应潜力：沉积物对短期高浓度硝酸盐输入（>300 μM）具有高反硝化容量，但春季低温限制该潜力表达  

 

丹麦Unisense电极测量数据的研究意义：  

通过OX-100微电极测量沉积物-水界面氧通量（图3A），实现了：  

(1) 量化沉积物耗氧速率：作为有机质矿化强度的核心指标，解释温度对微生物活性的影响（夏季耗氧速率比春季高10倍）  

(2) 计算理论氨化率：将耗氧量转换为碳氧化速率，再结合C/N比推算沉积物氨化潜力，发现实测NH₄⁺通量仅占理论值的53-100%，揭示硝化作用对铵的消耗  

(3) 反推氧化层厚度：结合Fick扩散定律，估算出春季浅层站点（V05）氧化层厚度达10.3mm，而夏季深层站点（V24）仅2.3mm，直接影响硝酸盐的扩散路径和反硝化发生位点  

(4) 过程耦合分析：氧动态决定硝化/反硝化的空间分离程度，夏季薄氧化层促进硝化产物（NOx）向下方缺氧区的输送，增强Dn过程