Nitrogen fixation in surface sediments of the East China Sea: Occurrence and environmental implications

東海表層沉積物中氮的固定發生與環境意義

來源：Marine Pollution Bulletin 137 (2018) 542–548

 

論文總結

摘要核心內容

研究了東海大陸架表層沉積物中氮固定過程的出現、空間分布及其環境調控機制。通過氮同位素示蹤技術（1?N?標記）和分子生物學方法（nifH基因定量），關鍵發現包括：

 

氮固定活性：潛在氮固定率范圍0.06–5.51 nmol N g?1 h?1（干沉積物），夏季（7月）高于春季（3月），最高值出現在近岸站點（如N1）。

微生物豐度：nifH基因豐度范圍0.36×10?–5.39×10? copies g?1，但與氮固定率無顯著相關。

環境驅動：氮固定率與溫度（正相關）、鹽度（負相關）、硫化物（負相關）、Fe(II)（正相關）和C/N比（負相關）顯著相關，表明沉積物理化性質而非微生物數量主導過程。

 

生態貢獻：沉積物氮固定年貢獻估算為3.43×10?–3.10×10?噸氮，占東海總無機氮輸入的8.2–22.6%，凸顯其在區域氮預算中的重要性。

 

摘要強調，東海沉積物氮固定是活躍的氮源，受多重環境因子調控，對緩解氮限制和富營養化具有潛在影響。

研究目的

本研究旨在：

 

證實存在：驗證東海大陸架沉積物中氮固定過程的發生及其空間-時間分異規律。

解析機制：識別控制氮固定過程的關鍵環境因子（如溫度、鹽度、氧化還原敏感物質），闡明沉積物性質的主導作用。

 

量化貢獻：估算沉積物氮固定對東海氮預算的貢獻率，評估其在海洋氮循環中的生態意義。

 

研究思路

研究采用多斷面采樣與多技術聯用策略：

 

站點設計：在東海設置19個站點，沿三個斷面（N1-N7、M1-M7、S1-S5）分布，覆蓋陸架梯度（Fig. 1）。

 

時間尺度：于2016年3月（春季）和7月（夏季）采集沉積物巖心（0-5 cm表層），三重重復。

測量方法：

 

環境參數：現場測量溫度、鹽度、水深（CTD剖面）；實驗室分析pH、NH??、NO??、硫化物（使用丹麥Unisense H?S傳感器）、Fe(II)/Fe(III)、有機碳、C/N比等（Table 1）。

 

氮固定率：沉積物漿液孵化，添加1?N?，通過膜進樣質譜（MIMS）測定1?N標記產物，計算速率（方法2.3）。

 

nifH基因豐度：qPCR定量功能基因拷貝數（方法2.4）。

 

數據分析：Pearson相關性檢驗、ANOVA比較時空差異、冗余分析（RDA）解析環境因子影響（Fig. 4）。

 

 

測量數據、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數據，其具體來源和科學意義如下：

1. 環境參數數據（來自 Table 1）

 

數據內容：溫度（3月5.1–12.6°C，7月19.4–23.9°C）、鹽度（3月28.9–33.8‰，7月8.1–29.6‰）、硫化物（3月25.49–2029.96 μg S g?1，7月10.46–301.26 μg S g?1）、Fe(II)（0.44–4.08 mg g?1）、Fe(III)（0.04–2.81 mg g?1）、有機碳（1.77–13.04 mg g?1）、C/N比（6.83–13.36）。

 

研究意義：鹽度梯度反映長江沖淡水影響；硫化物和鐵數據指示氧化還原狀態；高溫夏季對應高氮固定率，證實溫度的關鍵作用。這些參數為解析氮固定的環境驅動提供背景。

 

2. 氮固定率數據（來自 Fig. 2）

 

數據內容：速率范圍0.06–5.51 nmol N g?1 h?1，夏季平均（2.01–3.01 nmol N g?1 h?1）高于春季（0.32–0.51 nmol N g?1 h?1），空間上近岸站點（如N1、M5）高于遠岸。

 

研究意義：直接證明東海沉積物存在活躍氮固定；時空變異揭示熱驅動和陸源輸入（如淡水）的調控作用，支持氮固定作為動態氮源。

 

3. nifH基因豐度數據（來自 Fig. 3）

 

數據內容：豐度范圍0.36×10?–5.39×10? copies g?1，站點間差異顯著但季節變化不顯著（p>0.05）。

 

研究意義：基因豐度與氮固定率無相關性（r=-0.044, p=0.641），表明微生物數量不是限制因子，強調環境條件對代謝活性的主導。

 

4. 相關性分析數據（來自 Table 2和 Fig. 4）

 

數據內容：氮固定率與溫度正相關（r=0.707, p<0.01）、與鹽度負相關（r=-0.673, p<0.01）、與硫化物負相關（r=-0.233, p<0.05）、與Fe(II)正相關（r=0.227, p<0.05）、與C/N比負相關（r=-0.205, p<0.05）；RDA分析顯示環境因子解釋33.7%變異（Fig. 4）。

 

研究意義：統計驗證溫度、鹽度、硫化物等為核心調控因子；硫化物負相關暗示還原條件抑制，Fe(II)正相關指示鐵還原耦合氮固定。

 

主要結論

 

普遍性與活性：氮固定在東海大陸架沉積物中廣泛存在，速率與全球富營養化區域相當（如河口、沿岸 lagoon）。

環境主導：過程受沉積物理化性質（溫度、鹽度、氧化還原敏感物）而非微生物豐度控制，凸顯非生物因子的關鍵角色。

貢獻顯著：年氮固定量占東海無機氮輸入8.2–22.6%，是重要氮源，可能緩解氮限制并影響初級生產力。

 

管理啟示：在氮管理策略中需考慮沉積物內源氮輸入，尤其在氣候變化（升溫）和人類活動（富營養化）背景下。

 

詳細解讀：使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的氫 sulfide傳感器（H?S-100）被用于高精度測量沉積物中硫化物濃度（方法2.2節），其數據是解析氮固定氧化還原調控的核心依據。具體研究意義如下：

測量數據描述

Unisense H?S傳感器提供：

 

硫化物濃度：以nmol L?1分辨率測量孔隙水溶解性H?S，范圍10.46–2029.96 μg S g?1（Table 1），覆蓋強烈還原至弱還原條件。

 

質量控制：檢測限20 nmol L?1，確保低濃度區數據可靠。

 

研究意義解讀

 

量化還原強度：Unisense數據直接證實沉積物中存在顯著硫化物梯度（如站點S1達2029 μg S g?1），指示硫酸鹽還原活動強烈。高硫化物對應低氮固定率（如春季高硫站點氮固定率低），揭示還原環境對固氮酶的抑制效應（因硫化物破壞鐵硫簇）。

耦合鐵循環：硫化物與Fe(II)正相關（r=0.465, p<0.01）、與Fe(III)負相關（r=-0.590, p<0.01），Unisense數據幫助建立“硫化物促進Fe(III)還原”鏈，解釋Fe(II)的固氮保護作用（通過消耗硫化物減輕毒性）。

季節動態解析：夏季硫化物降低（平均101 vs. 春季430 μg S g?1），Unisense時序數據捕捉到升溫促氧化、硫化物減少，對應氮固定率升高，佐證溫度與還原條件的交互影響。

 

技術優勢：Unisense傳感器的原位能力和高靈敏度避免了樣品氧化誤差，提供真實硫化物濃度。沒有這些數據，研究無法確證硫化物負效應或解析氧化還原閾值，凸顯其在沉積物微環境研究中的不可替代性。

 

總之，Unisense電極在本研究中充當了“沉積物還原狀態監測器”，其提供的高精度硫化物數據不僅是描述性指標，更是機制解析的關鍵——它證實硫化物抑制氮固定，并通過關聯鐵循環深化了對氧化還原調控的理解。該技術的應用提升了研究的因果推斷能力和生態學見解。