Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Quá trình loại bỏ nitơ kết hợp với nitrat hóa trong các trầm tích ven biển ngoài khơi Biển Đông Bắc Trung Quốc
Tóm tắt
Quá trình khử nitrat và oxy hóa amoni đồng thời (anammox) đóng vai trò then chốt trong việc mất nitơ (N), và nitr hóa cung cấp các nguyên liệu như NO2– và NO3– cho quá trình khử nitrat và anammox. Các quá trình nitr hóa - khử nitrat/anammox kết hợp do đó rất quan trọng cho việc loại bỏ N trong các hệ sinh thái ven biển. Nghiên cứu này nhằm khảo sát sự biến đổi không gian-thời gian của tỷ lệ loại bỏ N môi trường, kết hợp và không kết hợp trong các trầm tích ven biển ngoài khơi Biển Đông Bắc Trung Quốc, đồng thời làm rõ các yếu tố điều khiển và cơ chế vi sinh vật của quá trình nitr hóa - khử nitrat/anammox kết hợp. Tỷ lệ khử nitrat và anammox môi trường, kết hợp, và không kết hợp trong các trầm tích ven biển đã được định lượng bằng cách sử dụng các thí nghiệm dòng chảy liên tục kết hợp với kỹ thuật ghép đồng vị 15N. Phương pháp phản ứng chuỗi polymerase định lượng được sử dụng để xác định độ phong phú của các vi khuẩn nitr hóa, khử nitrat và vi khuẩn anammox, với các gen chức năng của amoA, nirS và gen 16S rRNA. Tỷ lệ khử nitrat môi trường dao động từ 0,43 đến 7,39 μmol N m−2 h−1, và tỷ lệ anammox môi trường dao động từ 0,05 đến 0,62 μmol N m−2 h−1. Quá trình nitr hóa - khử nitrat kết hợp là con đường loại bỏ N chủ yếu. Tỷ lệ và sự kết hợp của các quá trình loại bỏ N với nitr hóa có sự khác biệt đáng kể giữa các địa điểm ven bờ và ngoài khơi, được điều khiển bởi các yếu tố môi trường đa dạng. Phân tích dư thừa cho thấy nitrat và sulfua là những yếu tố quan trọng kiểm soát tỷ lệ loại bỏ N kết hợp và không kết hợp, và nitrat được chứng minh là yếu tố chính ảnh hưởng đến tỷ lệ giữa loại bỏ N kết hợp và không kết hợp thông qua một phân tích tích hợp. Sự phong phú của các vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) có mối tương quan đáng kể với tỷ lệ khử nitrat kết hợp và sự phong phú của các vi khuẩn khử nitrat, cho thấy tầm quan trọng của AOB trong quá trình nitr hóa - khử nitrat kết hợp. Nghiên cứu này đã khảo sát tỷ lệ khử nitrat và anammox môi trường, kết hợp và không kết hợp trong các trầm tích ven biển ngoài khơi Biển Đông Bắc Trung Quốc. Nitrat được chứng minh là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tỷ lệ giữa loại bỏ N kết hợp và không kết hợp, và AOB có thể đóng vai trò quan trọng trong nitr hóa - khử nitrat kết hợp. Những kết quả này nhấn mạnh rằng quá trình nitr hóa rất quan trọng cho việc loại bỏ N với những tác động quan trọng đến mất N trong các hệ sinh thái ven biển.
Từ khóa
#khử nitrat #nitr hóa #anammox #trầm tích ven biển #Nitơ #môi trường.Tài liệu tham khảo
Anderson DM, Glibert PM, Burkholder JM (2002) Harmful algal blooms and eutrophication: nutrient sources, composition, and consequences. Estuaries 25:704–726. https://doi.org/10.1007/BF02804901
Bale NJ, Villanueva L, Fan H, Stal LJ, Hopmans EC, Schouten S, Sinninghe Damsté JS (2014) Occurrence and activity of anammox bacteria in surface sediments of the southern North Sea. FEMS Microbiol Ecol 89:99–110. https://doi.org/10.1111/1574-6941.12338
Braak CJFT, Smilauer P (2002) CANOCO reference manual and CanoDraw for Windows user’s guide: software for canonical community ordination (version 4.5) Ithaca NY, USA www.canoco.com
Caffrey JM, Bano N, Kalanetra K, Hollibaugh JT (2007) Ammonia oxidation and ammonia-oxidizing bacteria and archaea from estuaries with differing histories of hypoxia. ISME J 1:660–662. https://doi.org/10.1038/ismej.2007.79
Chen F, Hou L, Liu M, Zheng Y, Yin G, Lin X, Li X, Zong H, Deng F, Gao J, Jiang X (2016) Net anthropogenic nitrogen inputs (NANI) into the Yangtze River basin and the relationship with riverine nitrogen export. J Geophys Res Biogeosci 121:451–465. https://doi.org/10.1002/2015JG003186
Cojean ANY, Lehmann MF, Robertson EK, Thamdrup B, Zopfi J (2020) Controls of H2S, Fe2+, and Mn2+ on microbial NO3–-reducing processes in sediments of an eutrophic lake. Front Microbiol 11. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01158
Cornwell JC, Owens MS, Boynton WR, Harris LA (2016) Sediment-water nitrogen exchange along the Potomac River estuarine salinity gradient. J Coast Res 32:776–787. https://doi.org/10.2112/JCOASTRES-D-15-00159.1
Damashek J, Francis CA (2018) Microbial nitrogen cycling in estuaries: from genes to ecosystem processes. Estuar Coasts 41:626–660. https://doi.org/10.1007/s12237-017-0306-2
Deng F, Hou L, Liu M, Zheng Y, Yin G, Li X, Lin X, Chen F, Gao J, Jiang X (2015) Dissimilatory nitrate reduction processes and associated contribution to nitrogen removal in sediments of the Yangtze Estuary. J Geophys Res Biogeosci 120:1521–1531. https://doi.org/10.1002/2015jg003007
Gardner WS, McCarthy MJ (2009) Nitrogen dynamics at the sediment–water interface in shallow, sub-tropical Florida Bay: why denitrification efficiency may decrease with increased eutrophication. Biogeochemistry 95:185–198. https://doi.org/10.1007/s10533-009-9329-5
Gihring TM, Canion A, Riggs A, Huettel M, Kostk JE (2010) Denitrification in shallow, sublittoral Gulf of Mexico permeable sediments. Limnol Oceanogr 55:43–54. https://doi.org/10.4319/lo.2010.55.1.0043
Gruber N, Galloway JN (2008) An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle. Nature 451:293–296. https://doi.org/10.1038/nature06592
Hou L, Liu M, Carini SA, Gardner WS (2012) Transformation and fate of nitrate near the sediment–water interface of Copano Bay. Cont Shelf Res 35:86–94. https://doi.org/10.1016/j.csr.2012.01.004
Hou L, Zheng Y, Liu M, Gong J, Zhang X, Yin G, You L (2013) Anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacterial diversity, abundance, and activity in marsh sediments of the Yangtze Estuary. J Geophys Res Biogeosci 118:1237–1246. https://doi.org/10.1002/jgrg.20108
Hou L, Zheng Y, Liu M, Li X, Lin X, Yin G, Gao J, Deng F, Chen F, Jiang X (2015) Anaerobic ammonium oxidation and its contribution to nitrogen removal in China’s coastal wetlands. Sci Rep 5:15621. https://doi.org/10.1038/srep15621
Huettel M, Ziebis W, Forster S (1996) Flow-induced uptake of particulate matter in permeable sediments. Limnol Oceanogr 41:309–322. https://doi.org/10.4319/lo.1996.41.2.0309
Jenkins MC, Kemp WM (1984) The coupling of nitrification and denitrification in two estuarine sediments. Limnol Oceanogr 29:609–619. https://doi.org/10.4319/lo.1984.29.3.0609
Jiang Y, Yin G, Hou L, Liu M, Gao D, Zhang Z, Zheng Y, Han P (2021) Variations of dissimilatory nitrate reduction processes along reclamation chronosequences in Chongming Island, China. Soil Tillage Res 206:104815. https://doi.org/10.1016/j.still.2020.104815
Lam P, Kuypers MMM (2011) Microbial nitrogen cycling processes in oxygen minimum zones. Annl Rev Marine Sci 3:317–345. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-120709-142814
Lam P, Jensen MM, Lavik G, McGinnis DF, Müller B, Schubert CJ, Amann R, Thamdrup B, Kuypers MMM (2007) Linking crenarchaeal and bacterial nitrification to anammox in the Black Sea. Proc Natl Acad Sci U S A 104:7104–7109. https://doi.org/10.1073/pnas.0611081104
Li X, Hou L, Liu M, Zheng Y, Yin G, Lin X, Cheng L, Li Y, Hu X (2015) Evidence of nitrogen loss from anaerobic ammonium oxidation coupled with ferric iron reduction in an intertidal wetland. Environ Sci Technol 49:11560–11568. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b03419
Lin X, Hou L, Liu M, Li X, Zheng Y, Yin G, Gao J, Jiang X (2016) Nitrogen mineralization and immobilization in sediments of the East China Sea: Spatiotemporal variations and environmental implications. J Geophys Res Biogeosci 121:2842–2855. https://doi.org/10.1002/2016JG003499
Liu C, Hou L, Liu M, Zheng Y, Yin G, Han P, Dong H, Gao J, Gao D, Chang Y, Zhang Z (2019) Coupling of denitrification and anaerobic ammonium oxidation with nitrification in sediments of the Yangtze Estuary: Importance and controlling factors. Estuar Coast Shelf Sci 220:64–72. https://doi.org/10.1016/j.ecss.2019.02.043
Liu C, Hou L, Liu M, Zheng Y, Yin G, Dong H, Liang X, Li X, Gao D, Zhang Z (2020) In situ nitrogen removal processes in intertidal wetlands of the Yangtze Estuary. J Environ Sci 93:91–97. https://doi.org/10.1016/j.jes.2020.03.005
Lohse L, Malschaert JFP, Slomp CP, Helder W, van Raaphorst W (1993) Nitrogen cycling in North Sea sediments: interaction of denitrification and nitrification in offshore and coastal areas. Mar Ecol Prog Ser 101:283–296. https://doi.org/10.3354/meps101283
Marchant HK, Holtappels M, Lavik G, Ahmerkamp S, Winter C, Kuypers MMM (2016) Coupled nitrification–denitrification leads to extensive N loss in subtidal permeable sediments. Limnol Oceanogr 61:1033–1048. https://doi.org/10.1002/lno.10271
McCarthy MJ, McNeal KS, Morse JW, Gardner WS (2008) Bottom-water hypoxia effects on sediment–water interface nitrogen transformations in a seasonally hypoxic, shallow bay (Corpus Christi Bay, TX, USA). Estuar Coasts 31:521–531. https://doi.org/10.1007/s12237-008-9041-z
Mctigue ND, Gardner WS, Dunton KH, Hardison AK (2016) Biotic and abiotic controls on co-occurring nitrogen cycling processes in shallow Arctic shelf sediments. Nat Commun 7:13145. https://doi.org/10.1038/ncomms13145
Nielsen LP (1992) Denitrification in sediment determined from nitrogen isotope pairing. FEMS Microbiol Ecol 9:357–361. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.1992.tb01771.x
Nielsen LP, Glud RN (1996) Denitrification in a coastal sediment measured in situ by the nitrogen isotope pairing technique applied to a benthic flux chamber. Mar Ecol Prog Ser 137:181–186. https://doi.org/10.3354/meps137181
Ning X, Lin C, Su J, Liu C, Hao Q, Le F (2011) Long-term changes of dissolved oxygen, hypoxia, and the responses of the ecosystems in the East China Sea from 1975 to 1995. J Oceanogr 67:59–75. https://doi.org/10.1007/s10872-011-0006-7
Paerl HW (1997) Coastal eutrophication and harmful algal blooms: importance of atmospheric deposition and groundwater as “new” nitrogen and other nutrient sources. Limnol Oceanogr 42:1154–1165. https://doi.org/10.4319/lo.1997.42.5_part_2.1154
Piña-Ochoa E, Álvarez-Cobelas M (2006) Denitrification in aquatic environments: a cross-system analysis. Biogeochemistry 81:111–130. https://doi.org/10.1007/s10533-006-9033-7
Rios-Del Toro EE, Valenzuela EI, López-Lozano NE, Cortés-Martínez MG, Sánchez-Rodríguez MA, Calvario-Martínez O, Sánchez-Carrillo S, Cervantes FJ (2018) Anaerobic ammonium oxidation linked to sulfate and ferric iron reduction fuels nitrogen loss in marine sediments. Biodegradation 29:429–442. https://doi.org/10.1007/s10532-018-9839-8
Risgaard-Petersen N, Nielsen LP, Rysgaard S, Dalsgaard T, Meyer RL (2003) Application of the isotope pairing technique in sediments where anammox and denitrification coexist. Limnol Oceanogr Methods 1:63–73. https://doi.org/10.4319/lom.2003.1.63
Rivett MO, Buss SR, Morgan P, Smith JW, Bemment CD (2008) Nitrate attenuation in groundwater: a review of biogeochemical controlling processes. Water Res 42:4215–4232. https://doi.org/10.1016/j.watres.2008.07.020
Roden EE, Lovley DR (1993) Evaluation of 55Fe as a tracer of Fe(III) reduction in aquatic sediments. Geomicrobiol J 11:49–56. https://doi.org/10.1080/01490459309377931
Rosales Villa AR, Jickells TD, Sivyer DB, Parker ER, Thamdrup B (2019) Benthic nitrogen cycling in the North Sea. Cont Shelf Res 185:31–36. https://doi.org/10.1016/j.csr.2018.05.005
Rysgaard S, Risgaard-Petersen N, Niels Peter S, Kim J, Lars Peter N (1994) Oxygen regulation of nitrification and denitrification in sediments. Limnol Oceanogr 39:1643–1652. https://doi.org/10.4319/lo.1994.39.7.1643
Rysgaard S, Risgaard-Petersen N, Sloth NP (1996) Nitrification, denitrification, and nitrate ammonification in sediments of two coastal lagoons in Southern France. Hydrobiologia 329:133–141. https://doi.org/10.1007/BF00034553
Salk KR, Erler DV, Eyre BD, Carlson-Perret N, Ostrom NE (2017) Unexpectedly high degree of anammox and DNRA in seagrass sediments: description and application of a revised isotope pairing technique. Geochim Cosmochim Acta 211:64–78. https://doi.org/10.1016/j.gca.2017.05.012
Seitzinger S, Harrison JA, Böhlke JK, Bouwman AF, Lowrance R, Peterson B, Tobias C, Van Drecht G (2006) Denitrification across landscapes and waterscapes: a synthesis. Ecol Appl 16:2064–2090. https://doi.org/10.1890/1051-0761(2006)016[2064:dalawa]2.0.co;2
Smith CJ, Nedwell DB, Dong LF, Osborn AM (2007) Diversity and abundance of nitrate reductase genes (narG and napA), nitrite reductase genes (nirS and nrfA), and their transcripts in estuarine sediments. Appl Environ Microbiol 73:3612–3622. https://doi.org/10.1128/AEM.02894-06
Smith JM, Mosier AC, Francis CA (2015) Spatiotemporal relationships between the abundance, distribution, and potential activities of ammonia-oxidizing and denitrifying microorganisms in intertidal sediments. Microb Ecol 69:13–24. https://doi.org/10.1007/s00248-014-0450-1
Song GD, Liu SM, Marchant H, Kuypers MMM, Lavik G (2013) Anammox, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium in the East China Sea sediment. Biogeosciences 10:6851–6864. https://doi.org/10.5194/bg-10-6851-2013
Song GD, Liu SM, Zhang J, Zhu ZY, Zhang GL, Marchant HK, Kuypers MMM, Lavik G (2021) Response of benthic nitrogen cycling to estuarine hypoxia. Limnol Oceanogr 66:652–666. https://doi.org/10.1002/lno.11630
Straub KL, Benz M, Schink B, Widdel F (1996) Anaerobic, nitrate-dependent microbial oxidation of ferrous iron. Appl Environ Microbiol 62:1458–1460. https://doi.org/10.1128/AEM.62.4.1458-1460.1996
Tan E, Zou W, Jiang X, Wan X, Hsu TC, Zheng Z, Chen L, Xu M, Dai M, Kao SJ (2019) Organic matter decomposition sustains sedimentary nitrogen loss in the Pearl River Estuary, China. Sci Total Environ 648:508–517. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.08.109
Thamdrup B, Dalsgaard T (2002) Production of N2 through anaerobic ammonium oxidation coupled to nitrate reduction in marine sediments. Appl Environ Microbiol 68:1312–1318. https://doi.org/10.1128/aem.68.3.1312-1318.2002
Trimmer M, Nicholls JC (2009) Production of nitrogen gas via anammox and denitrification in intact sediment cores along a continental shelf to slope transect in the North Atlantic. Limnol Oceanogr 54:577–589. https://doi.org/10.4319/lo.2009.54.2.0577
Trimmer M, Nicholls JC, Deflandre B (2003) Anaerobic ammonium oxidation measured in sediments along the Thames estuary, United Kingdom. Appl Environ Microbiol 69:6447–6454. https://doi.org/10.1128/aem.69.11.6447-6454.2003
Vance-Harris C, Ingall E (2005) Denitrification pathways and rates in the sandy sediments of the Georgia continental shelf, USA. Geochem Trans 6:12. https://doi.org/10.1186/1467-4866-6-12
Wang R, Li X, Hou L, Liu M, Zheng Y, Yin G, Yang Y (2018) Nitrogen fixation in surface sediments of the East China Sea: occurrence and environmental implications. Mar Pollut Bull 137:542–548. https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2018.10.063
Yao Z, Wang F, Wang C, Xu H, Jiang H (2019) Anaerobic ammonium oxidation coupled to ferric iron reduction in the sediment of a eutrophic lake. Environ Sci Pollut Res 26:15084–15094. https://doi.org/10.1007/s11356-019-04907-7
Yin G, Hou L, Zong H, Ding P, Liu M, Zhang S, Cheng X, Zhou J (2015) Denitrification and anaerobic ammonium oxidization across the sediment–water interface in the hypereutrophiceEcosystem, Jinpu Bay, in the northeastern coast of China. Estuar Coasts 38:211–219. https://doi.org/10.1007/s12237-014-9798-1
Zhang J, Liu SM, Ren JL, Wu Y, Zhang GL (2007) Nutrient gradients from the eutrophic Changjiang (Yangtze River) Estuary to the oligotrophic Kuroshio waters and re-evaluation of budgets for the East China Sea Shelf. Prog Oceanogr 74:449–478. https://doi.org/10.1016/j.pocean.2007.04.019
Zhang Y, Xie X, Jiao N, Hsiao SSY, Kao SJ (2014) Diversity and distribution of amoA-type nitrifying and nirS-type denitrifying microbial communities in the Yangtze River estuary. Biogeosciences 11:2131–2145. https://doi.org/10.5194/bg-11-2131-2014
Zheng Y, Hou L, Newell S, Liu M, Zhou J, Zhao H, You L, Cheng X (2014) Community dynamics and activity of ammonia-oxidizing prokaryotes in intertidal sediments of the Yangtze estuary. Appl Environ Microbiol 80:408–419. https://doi.org/10.1128/aem.03035-13
Zheng Y, Hou L, Liu M, Gao J, Yin G, Li X, Deng F, Lin X, Jiang X, Chen F, Zong H, Zhou J (2015) Diversity, abundance, and distribution of nirS-harboring denitrifiers in intertidal sediments of the Yangtze Estuary. Microb Ecol 70:30–40. https://doi.org/10.1007/s00248-015-0567-x