徐耀飛，阮愛東，劉 皓

(1 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098)

· 綜 述 ·

海洋低氧環(huán)境下氮循環(huán)研究進(jìn)展

徐耀飛1,2，阮愛東1,2，劉 皓1,2

(1 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098)

由于人類活動(dòng)和自然原因，海洋低氧現(xiàn)象頻發(fā)，低氧環(huán)境極大影響了生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程。圍繞氮要素，主要論述在低氧環(huán)境下氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，包括反硝化作用、厭氧氨氧化作用以及硝化作用，并討論了低氧環(huán)境下影響氮循環(huán)的主要因素。

海洋；低氧區(qū)；氮循環(huán)；氧化還原；微生物

1 引 言

溶解氧(DO)是調(diào)節(jié)海洋環(huán)境中生物地球化學(xué)循環(huán)過程的關(guān)鍵因子[1]。對(duì)海洋大多數(shù)生物而言，當(dāng)DO低于2mg/L時(shí)，其生存能力將下降甚至死亡，所以一般將DO低于2mg/L的狀態(tài)定義為低氧[2]。近幾十年來，海洋低氧現(xiàn)象頻發(fā)且日益加劇，其形成及加劇的原因主要為：一是由于大洋環(huán)流、渦流以及氣候變化等自然原因使得水體出現(xiàn)鹽躍層和溫躍層，水體層化阻礙了表層DO向下擴(kuò)散，導(dǎo)致下層水體低氧[3-4]；二是由于人類活動(dòng)而引起大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入海洋，海水富營(yíng)養(yǎng)化使得藻類大量繁殖，藻類死亡分解會(huì)消耗大量氧，從而導(dǎo)致海水氧不足[5-6]。自然原因引起的低氧區(qū)主要發(fā)生在遠(yuǎn)洋海域，一般在海面以下100m～1 000m的次表層水體，北太平洋東部、南太平洋東部以及南大西洋東部海域?yàn)榈湫蛥^(qū)域[4]。而人類活動(dòng)引發(fā)的低氧區(qū)域主要發(fā)生在河口以及近岸海域，全球已發(fā)現(xiàn)超過400個(gè)海洋低氧區(qū)域與人類活動(dòng)有關(guān)[7]，每年通過河流和大氣沉降而向海洋排入的氮源污染物超過9千萬噸[6]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工業(yè)革命之前的排放量(4千萬噸/年)，大量污染物加劇了近岸海水富營(yíng)養(yǎng)化，從而引發(fā)低氧問題。

低氧區(qū)的存在不僅破壞了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，也極大影響了生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，氮元素作為維持海洋生物活動(dòng)的重要生源要素之一，其循環(huán)過程也受到了極大影響。近年來研究發(fā)現(xiàn)海洋氮收支存在明顯的不平衡，氮輸出要大于氮輸入[8]，盡管低氧區(qū)(DO<2mg/L)在全球海洋只占了4%，但全球海洋氮損失約有30%～50%是來自海洋低氧區(qū)[5]，海洋低氧區(qū)很可能是海洋氮循環(huán)不平衡性的關(guān)鍵區(qū)域。反硝化和厭氧氨氧化被認(rèn)為是氮循環(huán)過程在低氧環(huán)境下主要的生物化學(xué)過程，但研究發(fā)現(xiàn)在低氧環(huán)境下存在完整的氮循環(huán)過程，這說明了氮循環(huán)在低氧環(huán)境下的特殊性。所以，理解低氧環(huán)境下的氮循環(huán)過程是極為重要的。本文主要論述海洋低氧區(qū)氮素循環(huán)的主要過程，并探討影響氮循環(huán)的因素。

2 低氧環(huán)境下氮循環(huán)的主要過程

氮循環(huán)是海洋生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，一般包括固氮、硝化、反硝化、厭氧氨氧化、硝酸鹽/亞硝酸鹽異化還原(DNRA)、同化以及礦化等環(huán)節(jié)。

圖 海洋低氧環(huán)境下氮循環(huán)主要過程Fig. The main process of nitrogen cycling in hypoxic ocean

反應(yīng)過程功能基因反硝化作用NO-3還原narG、napANO-2還原nirS、nirKNO還原norBN2O還原nosZ厭氧氨氧化作用nirS、bzo硝化作用氨氧化amo、haoNO-2氧化nxr

2.1 反硝化作用

雖然厭氧氨氧化作用對(duì)氮損失貢獻(xiàn)的確很大，但反硝化作用仍然是低氧區(qū)的氮損失重要途徑，在一些區(qū)域內(nèi)反硝化仍占主導(dǎo)地位[11～13]。有學(xué)者利用15N示蹤法在研究了南太平洋東部的智利和秘魯沿岸海域的N2O和N2的來源，發(fā)現(xiàn)72%的N2是由反硝化作用產(chǎn)生的[12]。

反硝化作用可以削減無機(jī)氮鹽在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的過度沉積，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮著重要作用[14]，同時(shí)反硝化作用對(duì)海洋N2O釋放的巨大貢獻(xiàn)力也加劇了溫室效應(yīng)[15-16]。

2.2 厭氧氨氧化

Kuypers等學(xué)者利用分子生物學(xué)技術(shù)、15N示蹤技術(shù)以及梯烷脂分析等方法第一次在黑海低氧區(qū)發(fā)現(xiàn)了厭氧氨氧化作用，并且驗(yàn)證了厭氧氨氧化細(xì)菌與脫氮有直接聯(lián)系[18]。有學(xué)者利用15N示蹤技術(shù)和分子生物學(xué)技術(shù)分析了南太平洋東部低氧區(qū)中的氮循環(huán)微生物的垂向分布，定量PCR結(jié)果顯示低氧核心區(qū)域厭氧氨氧化細(xì)菌占主導(dǎo)地位，其中Kuenenia屬厭氧氨氧化菌stuttgartiensis占總RNA的7.9%[19]，15N示蹤結(jié)果檢測(cè)到了厭氧氨氧化活動(dòng)而未檢測(cè)到反硝化作用[21]，說明在南太平洋東部的低氧核心區(qū)厭氧氨氧化作用要大于反硝化作用。相同的情況在阿拉伯海也被發(fā)現(xiàn)，Scalindua屬厭氧氨氧化細(xì)菌在低氧核心區(qū)占較高優(yōu)勢(shì)[22]。

2.3 硝化作用

氨氧化反應(yīng)是硝化作用的限速步驟，本質(zhì)上是由氨單加氧酶(amo)催化完成的生化反應(yīng)。在早期的研究中由于技術(shù)手段的有限，長(zhǎng)期分離培養(yǎng)出的硝化微生物都是好氧自養(yǎng)型的變形菌綱中β-和γ-變形桿菌亞門[23]，以致認(rèn)為氨氧化細(xì)菌(AOB)是氨氧化過程的主要微生物。然而隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者發(fā)現(xiàn)海洋泉古菌中也存在氨單加氧酶的編碼基因amoA序列[24]。這促使學(xué)者們逐漸開始關(guān)注古菌在硝化作用中的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)氨氧化古菌(AOA)在自然界中廣泛存在，且AOA在氮循環(huán)中也起著重要作用[25～27]。

3 影響氮循環(huán)的因素

3.1 溶解氧

學(xué)者在以厭氧氨氧化為主的黑海低氧區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，在3.5μM～8μM的DO條件下，厭氧氨氧化酶降低了30%～50%的活性，直到13.5μM時(shí)才被完全抑制[31]。也有其他的研究表明厭氧氨氧化對(duì)氧的耐受性在1～10μM[32]。最近研究發(fā)現(xiàn)反硝化作用對(duì)氧有較低的耐受性，半數(shù)抑制濃度(IC50)為0.3μM，而硝酸鹽還原作用有較高的氧耐受性(4～20μM)。

而相對(duì)于這些厭氧過程，DO對(duì)硝化作用的限制性較弱。當(dāng)DO≤1μM時(shí)，氨氧化作用仍能達(dá)到最大氨氧化速率的50%[32]，而亞硝酸鹽氧化速率為DO>10μM條件下的36%～59%[33]。

這些厭氧和好氧氮循環(huán)過程對(duì)氧的耐受能力，主要源于參與反應(yīng)的微生物的不同特性。

3.2 有機(jī)質(zhì)

3.3 海水酸化

4 問題與展望

海洋低氧問題的加劇逐漸引起眾多學(xué)者的關(guān)注，對(duì)海洋低氧環(huán)境下氮循環(huán)過程的研究也在不斷深入，本文總結(jié)了海洋低氧環(huán)境下的關(guān)鍵過程的一些研究成果，并討論低氧環(huán)境下影響氮循環(huán)的主要因素，但仍然存在很多需要討論和解決的問題。

(1)海洋低氧環(huán)境的形成機(jī)制復(fù)雜，涉及物理、化學(xué)以及生物等諸多方面，無機(jī)氮、溫度、鹽度和水動(dòng)力條件等都可能對(duì)低氧環(huán)境下的氮循環(huán)過程產(chǎn)生影響，這些因素對(duì)氮循環(huán)過程的影響有待進(jìn)一步深入研究。

(2)反硝化與厭氧氨氧化都是海洋低氧環(huán)境下的重要脫氮過程，而何種情況下哪種反應(yīng)機(jī)制占主導(dǎo)仍然不清楚，這兩者之間的關(guān)系與生態(tài)位有待利用新的技術(shù)與方法去研究。

(3)目前對(duì)低氧環(huán)境下的氮循環(huán)過程研究技術(shù)和方法主要有同位素標(biāo)記法、分子生物技術(shù)以及生物標(biāo)志物，這些技術(shù)與方法都具有一定的適用范圍和準(zhǔn)確度，如何進(jìn)一步改進(jìn)研究方法以及發(fā)掘新的技術(shù)，有利于更加全面系統(tǒng)的研究海洋低氧環(huán)境下的氮循環(huán)過程。

(4)海洋低氧環(huán)境下氮循環(huán)過程也會(huì)影響其他生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程，比如碳、硫、鐵等要素，加強(qiáng)不同要素的遷移轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系，有助于更好的理解海洋生物地球化學(xué)循環(huán)。

(5)我國(guó)近岸海域也不同程度的出現(xiàn)季節(jié)性低氧現(xiàn)象，對(duì)沿海水生態(tài)環(huán)境健康造成威脅，我國(guó)海域遼闊，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)我國(guó)海洋低氧環(huán)境以及生源要素的生物地球化學(xué)循環(huán)過程的研究，有助于對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境的保護(hù)與管理。

[1] Deutsch C, Brix H, Ito T, et al. Climate-Forced Variability of Ocean Hypoxia [J].Science, 2011, 333(6040): 336-339.

[2] Gray J S, Wu R S, Or Y Y, et al. Effects of hypoxia and organic enrichment on the coastal marine environment [J].MarineEcologyProgressSeries, 2002,238(1): 249-279.

[3] Helly J J, Levin L A. Global distribution of naturally occurring marine hypoxia on continental margins[J]. Deep-sea Research Part I-oceanographic Research Papers, 2004, 51(9): 1159-1168.

[4] Paulmier A, Ruiz-Pino D. Oxygen minimum zones (OMZs) in the modern ocean [J].ProgressinOceanography, 2009, 80(3): 113-128.

[5] Reed D C, Harrison J A. Linking nutrient loading and oxygen in the coastal ocean: A new global scale model [J].GlobalBiogeochemicalCycles, 2016, 30(3): 447-459.

[6] Yang S, Gruber N. The anthropogenic perturbation of the marine nitrogen cycle by atmospheric deposition: Nitrogen cycle feedbacks and the 15N Haber‐Bosch effect [J].GlobalBiogeochemicalCycles, 2016, 30(10): 1418-1440.

[7] Diaz R J, Rosenberg R. Spreading dead zones and consequences for marine ecosystems.Science. 2008, 321(5891):926-9.

[8]Gruber N, Galloway J N. An Earth-system perspective of the global nitrogen cycle [J].Nature, 2008, 451(7176): 293-296.

[9] Zehr J P, Kudela R M. Nitrogen cycle of the open ocean: from genes to ecosystems [J].AnnualReviewofMarineScience, 2011, 3: 197-225.

[10] Yu S, Yao P, Liu J, et al. Diversity, Abundance, and Niche Differentiation of Ammonia-Oxidizing Prokaryotes in Mud Deposits of the Eastern China Marginal Seas [J].Frontiersinmicrobiology, 2016, 7(137):137.

[11] Bulow S E, Rich J J, Naik H S, et al. Denitrification exceeds anammox as a nitrogen loss pathway in the Arabian Sea oxygen minimum zone [J].DeepSeaResearchPartI:OceanographicResearchPapers, 2010, 57(3): 384-393.

[12] Dalsgaard T, Thamdrup B, Farías L, et al. Anammox and denitrification in the oxygen minimum zone of the eastern South Pacific [J].LimnologyandOceanography, 2012, 57(5): 1331-1346.

[13] Castro-González M, Farías L. The influence of anoxia and substrate availability on N2O cycling by denitrification in the upper boundary of the oxygen minimum zone off northern Chile [J].JournalofMarineResearch, 2015, 73(6): 185-205.

[14] Saggar S, Jha N, Deslippe J, et al. Denitrification and N 2 O: N 2 production in temperate grasslands: processes, measurements, modelling and mitigating negative impacts [J].ScienceoftheTotalEnvironment, 2013, 465: 173-195.

[15] Zhou Y, Lim M, Harjono S, et al. Nitrous oxide emission by denitrifying phosphorus removal culture using polyhydroxyalkanoates as carbon source [J].JournalofEnvironmentalSciences, 2012, 24(9): 1616-1623.

[16] Wang Q, Jiang G, Ye L, et al. Heterotrophic denitrification plays an important role in N 2 O production from nitritation reactors treating anaerobic sludge digestion liquor [J].WaterResearch, 2014, 62: 202-210.

[17] Quan Z X, Rhee S K, Zuo J E, et al. Diversity of ammonium‐oxidizing bacteria in a granular sludge anaerobic ammonium‐oxidizing (anammox) reactor [J].EnvironmentalMicrobiology, 2008, 10(11): 3130-3139.

[18] Kuypers M M M, Sliekers A O, Lavik G, et al. Anaerobic ammonium oxidation by anammox bacteria in the Black Sea [J].Nature, 2003, 422(6932): 608-611.

[19] Stewart F J, Ulloa O, DeLong E F. Microbial metatranscriptomics in a permanent marine oxygen minimum zone [J].Environmentalmicrobiology, 2012, 14(1): 23-40.

[20] Jensen M M, Lam P, Revsbech N P, et al. Intensive nitrogen loss over the Omani Shelf due to anammox coupled with dissimilatory nitrite reduction to ammonium [J].TheISMEjournal, 2011, 5(10): 1660-1670.

[21] Lam P, Lavik G, Jensen M M, et al. Revising the nitrogen cycle in the Peruvian oxygen minimum zone [J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences, 2009, 106(12): 4752-4757.

[22] Lüke C, Speth D R, Kox M A R, et al. Metagenomic analysis of nitrogen and methane cycling in the Arabian Sea oxygen minimum zone [J].PeerJ, 2016, 4(4): e1924.

[23] Head I M, Hiorns W D, Embley T M, et al. The phylogeny of autotrophic ammonia-oxidizing bacteria as determined by analysis of 16S ribosomal RNA gene sequences [J].Microbiology, 1993, 139(6): 1147-1153.

[24] Venter J C, Remington K, Heidelberg J F, et al. Environmental genome shotgun sequencing of the Sargasso Sea [J].Science, 2004, 304(5667): 66-74.

[25] Lam P, Jensen M M, Lavik G, et al. Linking crenarchaeal and bacterial nitrification to anammox in the Black Sea [J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences, 2007, 104(17): 7104-7109.

[26] Dang H, Luan X W, Chen R, et al. Diversity, abundance and distribution of amoA-encoding archaea in deep-sea methane seep sediments of the Okhotsk Sea [J].FEMSmicrobiologyecology, 2010, 72(3): 370-385.

[27] Meng H, Katayama Y, Gu J D. More wide occurrence and dominance of ammonia-oxidizing archaea than bacteria at three Angkor sandstone temples of Bayon, Phnom Krom and Wat Athvea in Cambodia [J].InternationalBiodeterioration&Biodegradation, 2017, 117: 78-88.

[28] Ostrom N E, Russ M E, Popp B, et al. Mechanisms of nitrous oxide production in the subtropical North Pacific based on determinations of the isotopic abundances of nitrous oxide and di-oxygen [J].Chemosphere-GlobalChangeScience, 2000, 2(3): 281-290.

[29] Popp B N, Westley M B, Toyoda S, et al. Nitrogen and oxygen isotopomeric constraints on the origins and sea‐to‐air flux of N2O in the oligotrophic subtropical North Pacific gyre [J].GlobalBiogeochemicalCycles, 2002, 16(4):12-1-12-10.

[30] Santoro A E, Buchwald C, McIlvin M R, et al. Isotopic signature of N2O produced by marine ammonia-oxidizing archaea [J].Science, 2011, 333(6047): 1282-1285.

[31] Jensen M M, Kuypers M M M, Gaute L, et al. Rates and regulation of anaerobic ammonium oxidation and denitrification in the Black Sea [J].LimnologyandOceanography, 2008, 53(1): 23-36.

[32] Kalvelage T, Jensen M M, Contreras S, et al. Oxygen sensitivity of anammox and coupled N-cycle processes in oxygen minimum zones [J].PLoSOne, 2011, 6(12): e29299.

[33] Füssel J, Lam P, Lavik G, et al. Nitrite oxidation in the Namibian oxygen minimum zone [J].TheISMEjournal, 2012, 6(6): 1200-1209.

[34] Ward B B, Tuit C B, Jayakumar A, et al. Organic carbon, and not copper, controls denitrification in oxygen minimum zones of the ocean [J].DeepSeaResearchPartI:OceanographicResearchPapers, 2008, 55(12): 1672-1683.

[35] Kalvelage T, Lavik G, Lam P, et al. Nitrogen cycling driven by organic matter export in the South Pacific oxygen minimum zone [J].Naturegeoscience, 2013, 6(3): 228-234.

[36] Thamdrup B, Dalsgaard T, Jensen M M, et al. Anaerobic ammonium oxidation in the oxygen‐deficient waters off northern Chile [J].LimnologyandOceanography, 2006, 51(5): 2145-2156.

[37] Zeebe R E, Wolf-Gladrow D A. CO2 in seawater: equilibrium, kinetics, isotopes [M].GulfProfessionalPublishing, 2001.

[38] Qin W, Amin S A, Martens-Habbena W, et al. Marine ammonia-oxidizing archaeal isolates display obligate mixotrophy and wide ecotypic variation [J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences, 2014, 111(34): 12504-12509.

[39] Beman J M, Chow C T, King A L, et al. Global declines in oceanic nitrification rates as a consequence of ocean acidification [J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica, 2011, 108(1): 208-213.

Research Progress of Nitrogen Cycling in Hypoxic Ocean

XU Yao-fei1,2，RUAN Ai-dong1,2，LIU Hao1,2

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResources&HydraulicEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.CollegeofHydrology&WaterResources,HoHaiUniversity,Nanjing210098，China)

The growing marine hypoxia has been observed in recent decades resulted from anthropogenic activities and natural factors. The low oxygen conditions can greatly influence biogeochemical cycles of biogenic elements in the ocean, such as nitrogen cycling. The main processes of nitrogen cycling in low oxygen conditions are discussed, including denitrification, anaerobic ammonium oxidation and nitrification. The key factors that may affect the nitrogen cycling processes are also discussed.

Ocean；low oxygen zone；nitrogen cycling；redox；microbes

2017-02-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“煙草薄片廢水處理系統(tǒng)中煙堿的微生物降解機(jī)理與調(diào)控機(jī)制研究”(51378175)。

徐耀飛(1991-),男,江蘇宜興人,河海大學(xué)生態(tài)水利學(xué)專業(yè)2014級(jí)在讀碩士研究生.主要研究方向?yàn)樗h(huán)境微生物學(xué)。

阮愛華,ladruar@hhu.edu.cn。

X132

A

1001-3644(2017)03-0162-05