感潮河流沉积物中溶解氧对硝化细菌垂向分布的影响

　第５２卷　第５期２０１３年　９月中山大学学报（自然科学版）ＡＣＴＡ　ＳＣＩＥＮＴＩＡＲＵＭ　ＮＡＴＵＲＡＬＩＵＭ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＡＴＩＳ　ＳＵＮＹＡＴＳＥＮＩＶｏｌ５２　Ｎｏ５Ｓｅｐ　２０１３　感潮河流沉积物中溶解氧对硝化细菌垂向分布的影响杨旭楠，林兴锐，符诗雨，吴群河，张仁铎（中山大学环境科学与工程学院，广东广州５１０２７５）摘　要：该文以污染严重的珠江广州河段为研究对象，分析了感潮河段沉积物中的理化性质（机械组成、碳氮、溶解氧）和硝化细菌数量的垂向分布，并利用当地菌种，设计溶解氧浓度梯度培养硝化细菌，探讨溶解氧对硝化细菌的影响。结果表明，沉积物中的溶解氧在０～１０ｃｍ间由０２６ｍｇ／Ｌ降低到００２ｍｇ／Ｌ，这主要与粉砂为主的机械组成和底栖动物的活动有关；沉积物中的硝化细菌主要受溶解氧浓度的影响，室内培养与野外实验结果对照显示，沉积物中的硝化细菌在低溶解氧条件下处于抑制状态，并导致氨氮的积累；在溶解氧浓度低于００３ｍｇ／Ｌ时氨氧化细菌的数量比亚硝酸氧化细菌高。关键词：沉积物；溶解氧；硝化细菌；垂向分布中图分类号：Ｘ１４　　文献标志码：Ａ　　文章编号：０５２９－６５７９（２０１３）０５－００９１－０６ＥｆｆｅｃｔｏｆＤｉｓｓｏｌｖｅｄＯｘｙｇｅｎｏｎｔｈｅＶｅｒｔｉｃａｌＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＮｉｔｒｉｆｙｉｎｇＢａｃｔｅｒｉａｉｎＴｉｄａｌＲｉｖｅｒＳｅｄｉｍｅｎｔＹＡＮＧＸｕｎａｎ，ＬＩＮＸｉｎｇｒｕｉ，ＦＵＳｈｉｙｕ，ＷＵＱｕｎｈｅ，ＺＨＡＮＧＲｅｎｄｕｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｕｎＹａｔｓｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０２７５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｉｍｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙｗａｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎ（ＤＯ）ｏｎｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｌａｂｕｎｄａｎｃｅａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｏｆＰｅａｒｌＲｉｖｅｒ（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕｓｅｃｔｉｏｎ）．Ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔｐｈｙｓｉｃａｌｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ（ｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ，ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｎｉｔｒａｔｅ，ａｍｍｏｎｉｕｍ，ＤＯ）ａｎｄｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａａｂｕｎｄａｎｃｅｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｕｓｉｎｇｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｒｅｓ．ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏｃｕｌｔｉｖａｔｅｂａｃｔｅｒｉａｕｓｉｎｇｌｏｃａｌｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔＤＯｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＤＯｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ０２６ｔｏ００２ｍｇ·Ｌ－１ｗｉｔｈｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｄｅｐｔｈｓｏｆ０ｔｏ１０ｃｍ，ｗｈｉｃｈｗａｓａｔｔｒｉｂｕｔａｂｌｅｔｏｔｈｅｓａｎｄｙｓｅｄｉｍｅｎｔａｎｄｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｏｆｂｅｎｔｈｉｃｍａｃｒｏｆａｕｎａ．ＴｈｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｗｅｒｅｉｎｈｉｂｉｔｅｄｂｙｌｏｗＤＯｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎａｍｍｏｎｉｕｍａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｓｅｄｉｍｅｎｔ．ＷｉｔｈＤＯ＜００３ｍｇ·Ｌ－１，ｔｈｅａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｎｉｔｒｉｔｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｄｉｍｅｎｔ；ＤＯ；ｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａ；ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　　沉积物是水体的重要组成部分，在河水－沉积物系统中，沉积物是各种污染物的库和源，在一定条件下污染物可以从沉积物中释放，形成次生污染［１］。特别是在感潮河段，特殊的水动力条件使水团趋于停滞，相对于在上游河段，污染物更容易在此沉积汇集，如营养盐的存留使富营养化污染事件常发［２］。氮是水体富营养化的限制因子之一，主要通过硝化－反硝化过程从水中去除［３］。其中硝化反应是转化氨化反应产生的氨氮及提供反硝化基质（硝氮）的关键环节［４］。硝化反应是一个由收稿日期：２０１３－０５－２６基金项目：国家科技重大专项资助项目（２００９ＺＸ０７２１１－００２－０１）；国家自然科学基金资助资助项目（５１０３９００７，５１１７９２１２）作者简介：杨旭楠（１９８６年生），男；研究方向：水环境化学等；通讯作者：吴群河；Ｅｍａｉｌ：ｅｅｓｗｑｈ＠ｍａｉｌｓｙｓｕｅｄｕｃｎ中山大学学报（自然科学版）第５２卷　硝化细菌促成的好氧过程，沉积物的溶解氧（ＤＯ）浓度直接影响到硝化细菌的丰度及其中氨氧化细菌（ＡＯＢ）和亚硝酸盐氧化细菌（ＮＯＢ）的比例，进而影响氮在沉积物中的存在形态和消除率。珠江广州河段位于珠江经济发达区，多年来工业发展和密集的人口使水体承受严重的污染，同时又是感潮河段，沉积物中的氨氮比其他水系的高［５］。然而目前对高氨氮污染条件下的河流生态系统的氨去除细菌了解很少［６］，特别是沉积物硝化细菌的垂向分布及其受ＤＯ浓度的影响。因此，本研究以珠江广州河段沉积物为研究对象，探索沉积物中ＤＯ浓度对硝化细菌的数量及其中ＡＯＢ与ＮＯＢ的比例的影响。１　材料与方法１１　采样考虑到珠江广州河段的水文水质特点，本研究在有丰富陆源污染汇入的二沙岛河道采样。具体采样地点（１１３°１７′１６６″Ｅ，２３°６′５０４１″Ｎ）为二沙岛第二码头湾，曾经设有排污口，沉积物碳氮含量丰富［５］，距左岸１００ｍ，河宽１３５ｍ，水深２２ｍ。水面活动不影响沉积物采样。实验全程实行无菌操作。采用自制改良柱状采样器在采样点采集６柱沉积物样（直径７ｃｍ，长约５０ｃｍ），采样后一部份（３柱）立即用溶氧仪（ＳｅｎｓＩＯＮ６ＰｏｒｔａｂｌｅＤＯＭｅｔｅｒ，ＨＡＣＨ）测量其垂直方向上的ＤＯ浓度，另一部分（３柱）密封，并立刻置于低温（４℃）保存，运回实验室。１２　指标分析１２１　理化性质的测定　对沉积柱进行切割，１２ｃｍ为一层，取其中４层进行下一步操作。４层分别为：０６（０～１２ｃｍ）；３０（２４～３６ｃｍ）；６６（６０～７２ｃｍ）；１０２（９６～１０８ｃｍ）。切割时所用的工具与容器预先进行灭菌处理。所采沉积物样一部分立刻置于低温（４℃）保存，用于氨氮（ＮＨ＋４－Ｎ）、亚硝氮（ＮＯ－２－Ｎ）、硝氮（ＮＯ－３－Ｎ）以及泥样细菌数量的测定。另一部分在室温下风干，剔除砾石及动植物残体等外来侵入物，用木棍将自然风干的泥样研磨过１０目、２０目，再用四分法取样，用研钵研磨，过１００目筛，用于测定ｐＨ、总有机碳（ＴＯＣ）、总氮（ＴＮ）［７］。沉积物中的ＮＨ＋４－Ｎ、ＮＯ－２－Ｎ、ＮＯ－３－Ｎ通过ＫＣｌ浸提，并分别采用纳氏试剂比色法、萘乙二胺分光光度法、紫外分光光度法测定［８］。１２２　硝化细菌数量的测定　对沉积柱进行切割，分７层。７层分别为：０ｃｍ（水土界面）；１（０５～１５ｃｍ）；２（１５～２５ｃｍ）；３（２５～３５ｃｍ）；５（３５～６５ｃｍ）；８（６５～９５ｃｍ）；１０（９５～１０５ｃｍ）。用ＭＰＮ法［９］测定ＡＯＢ和ＮＯＢ的数量。１２３　ＤＯ梯度实验　秤取原底泥柱表层泥样１ｇ（含水率５４％），加入到装有９９ｍＬ、ｐＨ＝７２磷酸缓冲液的１５０ｍＬ烧杯中，用超声波发生器（频率为２００Ｈｚ）超声振荡１ｍｉｎ，以分散包埋在菌胶团中的细菌。用ｐＨ＝７２磷酸缓冲液作逐级稀释，从１０－３稀释到１０－７。将上述不同稀释度的样品液各１０ｍＬ，分别接种于含１００ｍＬ经修改的Ｂｕｈｏｓｐａｇｃｋｕｄ培养基（硝化细菌培养基）的锥形瓶中，每一稀释度重复接种５瓶。按ＤＯ浓度分为５组，０～１，１～２，２～４，４～６，６～８ｍｇ／Ｌ，每组５个上述重复。２８℃培养１４ｄ。每１２ｈ用溶氧仪测量ＤＯ，通入Ｎ２以维持其ＤＯ浓度在确定范围内，并用保鲜膜封住锥形瓶口以减慢ＤＯ的恢复。１４ｄ后，用ＭＰＮ法［９］测算锥形瓶中硝化细菌的总数、氨氧化细菌和亚硝化氧化细菌数。２　结　果２１　沉积物的理化性质的垂向分布上覆水和沉积物（表层１０ｃｍ）中的ＤＯ分布如图１，其中沉积物深度指水土界面以下的尺度。ＤＯ随上覆水、沉积物深度逐渐下降。在上覆水中（３～０ｃｍ）ＤＯ由０３６下降到０２６ｍｇ／Ｌ。在沉积物中ＤＯ下降由快到慢，表层下降最快由０ｃｍ处（水土界面）的０２６ｍｇ／Ｌ到１ｃｍ的００８ｍｇ／Ｌ；然后随深度加深ＤＯ递减率逐渐下降，到达１０ｃｍ处已下降到００２ｍｇ／Ｌ趋于稳定。表层沉积物的ＤＯ浓度范围在００２ｍｇ／Ｌ到０２３ｍｇ／Ｌ。图１　沉积物中溶解氧的垂向分布Ｆｉｇ１　Ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｉｓｓｏｌｖｅｄｏｘｙｇｅｎｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔ２９　第５期杨旭楠等：感潮河流沉积物中溶解氧对硝化细菌垂向分布的影响ｐＨ值则随深度变化不大，从上覆水（３～０ｃｍ）的７１１轻微下降到１０ｃｍ的６９９。如图２所示，沉积物以粉砂（０００２～０２ｍｍ）为主，占６７４％～７４６％。最表层（０～１２ｃｍ）的黏粒（＜０００２ｍｍ）较多，为３２６％，下面各层差异不大（２５４％～２６９％）。图２　沉积物的机械组成Ｆｉｇ２　Ｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｒｅ图３呈现了沉积物中ＴＯＣ、ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的垂向分布。可见ＴＯＣ与ＴＮ随深度的分布相似，有较高的相关性（Ｒ＝０９３６，Ｓｉｇ＝００６４）。碳氮比的范围则在８８～１０之间。沉积物中ＮＨ＋４－Ｎ浓度远高于ＮＯ－３－Ｎ浓度，且分布规律存在差异。ＮＨ＋４－Ｎ在沉积物最上层的浓度较低，到次表层（２４～３６ｃｍ）则明显增高，然后随深度轻微增加；相比之下ＮＯ－３－Ｎ的垂向变化不大（０２２～０３５ｍｇ／ｋｇ）。ＮＯ－２－Ｎ在本沉积物中低于检出限。２２　硝化细菌的垂向分布硝化细菌分为ＡＯＢ和ＮＯＢ，其垂向分布如图４。ＡＯＢ：在０ｃｍ处为次峰值９８×１０４ＭＰＮ／ｇ；１～５ｃｍ下降到较低数量；在８ｃｍ时明显增高达到峰值；总的数量范围为０８×１０４～３３６×１０４ＭＰＮ／ｇ。ＮＯＢ：在０ｃｍ处出现峰值６５２×１０４ＭＰＮ／ｇ；１ｃｍ后下降到较低数量１８×１０４～８８×１０４ＭＰＮ／ｇ；在２～５ｃｍ中数量均比ＮＯＢ高，但到８ｃｍＡＯＢ数量显著增加时，ＮＯＢ数量没有显著变化。２３　ＤＯ梯度硝化细菌培养实验ＡＯＢ和ＮＯＢ的数量与ＤＯ的关系如图５。当ＤＯ在０～２ｍｇ／Ｌ的范围内，ＡＯＢ和ＮＯＢ的数量均较少，其中当ＤＯ＜１ｍｇ／Ｌ时，ＡＯＢ的数量为ＮＯＢ的８倍，而ＤＯ＞１ｍｇ／Ｌ时，则是ＮＯＢ多于ＡＯＢ。ＤＯ在２～６ｍｇ／Ｌ范围内，ＡＯＢ和ＮＯＢ的数图３　沉积物中ＴＯＣ、ＴＮ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＮＯ－３－Ｎ的垂向分布Ｆｉｇ３　ＶｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆＴＯＣ，ＴＮ，ＮＨ＋４－ＮａｎｄＮＯ－３－Ｎｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｒｅ图４　沉积物中氨氧化细菌与亚硝酸盐氧化细菌的垂向分布Ｆｉｇ４　Ｖｅｒｔｉｃａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆａｍｍｏｎｉａｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａａｎｄｎｉｔｒｉｔｅｏｘｉｄｉｚｉｎｇｂａｃｔｅｒｉａｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｒｅ量都达到培养的最大值，其中ＮＯＢ明显占优势，为ＡＯＢ的１４倍。当ＤＯ值为６～８ｍｇ／Ｌ时，ＡＯＢ与ＮＯＢ的数量相当，且都有所下降。总体来说，ＮＯＢ在ＤＯ小于３ｍｇ／Ｌ时，受ＤＯ的影响比ＡＯＢ更大。３９中山大学学报（自然科学版）第５２卷　图５　溶解氧梯度下硝化细菌的数量Ｆｉｇ５　Ａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ