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)

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100 m，河宽135 m，水深2.2 m。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7 cm，长约50 cm)，采样后一部份(3柱)立即用溶氧仪(SensION 6 Portable DO Meter, 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

1.2.2 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：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]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1 g(含水率54%)，加入到装有99 mL、pH=7.2磷酸缓冲液的150 mL烧杯中，用超声波发生器(频率为200 Hz)超声振荡1 min，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10 mL，分别接种于含100 mL经修改的Buhospagckud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，0～1，1～2，2～4，4～6，6～8 mg/L，每组5个上述重复。28 ℃培养14 d。每12 h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。14 d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10 cm)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(3～0 cm)DO由0.36下降到0.26 mg/L。在沉积物中DO下降由快到慢，表层下降最快由0 cm处(水土界面)的0.26 mg/L到1cm的0.08 mg/L；然后随深度加深DO递减率逐渐下降，到达10 cm处已下降到0.02 mg/L趋于稳定。表层沉积物的DO浓度范围在0.02 mg/L到0.23 mg/L。

图1 沉积物中溶解氧的垂向分布Fig.1 Vertical distribution of dissolved oxygen in sediment

pH值则随深度变化不大，从上覆水(3～0 cm)的7.11轻微下降到10 cm的6.99。

如图2所示，沉积物以粉砂(0.002～0.2 mm)为主，占67.4%～74.6%。最表层(0～1.2 cm)的黏粒(<0.002 mm)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 Grain size distribution of sediment core

图3 沉积物中和的垂向分布Fig.3 Vertical distributions of TOC, TN,

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0 cm处为次峰值9.8×104MPN/g；1～5 cm下降到较低数量；在8 cm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0 cm处出现峰值65.2×104MPN/g；1 cm后下降到较低数量1.8×104～8.8×104MPN/g；在2～5 cm中数量均比NOB高，但到8 cm AOB数量显著增加时，NOB数量没有显著变化。

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 Vertical distributions of ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria in sediment core

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0～2 mg/L的范围内，AOB和NOB的数量均较少，其中当DO < 1 mg/L时，AOB的数量为NOB的8倍，而DO > 1 mg/L时，则是NOB多于AOB。DO在2～6 mg/L范围内，AOB和NOB的数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6～8 mg/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3 mg/L时，受DO的影响比AOB更大。

图5 溶解氧梯度下硝化细菌的数量Fig.5 Abundance of nitrifying bacteria under various dissolved oxygen concentration gradient

3 讨 论

一般而言，DO浓度在沉积物5 cm深时已降为零[10]，然而本研究点在垂向深达10 cm仍然有DO的存在(图1)。其主要原因与沉积物的机械组成和水体底栖动物的活动有关。Hauβels等[11]在英国Severn河口的研究表明，DO可通过砂质沉积物的多孔结构向下输送。而本文的沉积物表层(0～10 cm)以粉砂为主(图2)，粉砂的粒径较大(0.002～0.2 mm)，有利于DO的垂向平流输送。另外，Satoh等[12]的研究发现底层水生动物的洞穴在沉积物氧传导中起重要作用。本文沉积物中即栖息了大量颤蚓[13]，其活动深度可达15 cm，其洞穴的存在可使水中DO直接接触较深层的沉积物。如此，DO的垂向传输，为硝化细菌的生存提供了条件。如图3可见除水-沉积物交界层有大量的硝化细菌外，在8 cm深度也出现了AOB的数量峰。Satoh等[12]发现大型底栖动物洞穴壁上的AOB数量可与沉积物表层相比。Dollhopf[14]认为潜在硝化速率与大型底栖动物的丰度及活性有强烈的正相关。

图6 各溶解氧浓度下氨氧化细菌与亚硝酸盐氧化菌的数量比Fig.6 Ratios of ammonia oxidizing bacteria and nitrite oxidizing bacteria abundance under various dissolved oxygen concentration

4 结 论

1)DO浓度在沉积物中随深度降低，达10 cm处仍有0.02 mg/L，主要与沉积物的机械组成和底栖动物的活动有关；此深度仍有硝化细菌存在。

2)硝化细菌的垂向分布主要受DO影响，其中NOB与DO的垂向分布显著相关；AOB比NOB的氧亲和性高，在深处低DO条件下AOB的数量比NOB大。

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