长江口水体化能自养固碳过程的潮周期变化特征及影响因素_王馨雨.pdf

生态环境学报 2023,32(4):733-743 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：国家自然科学基金项目（42030411；41725002；41971105；41671463；41730646）作者简介：王馨雨（1997 年生），女，硕士研究生，研究方向为河口海岸生源要素循环。E-mail:w_*通讯作者：侯立军（1975 年生），男，教授，研究方向为河口海岸生源要素循环。E-mail: 收稿日期：2023-01-14 长江口水体化能自养固碳过程的潮周期变化特征 及影响因素 王馨雨1，高灯州1，刘博林1，王斌1，郑艳玲2,3，李小飞1，侯立军1*1.华东师范大学/河口海岸学国家重点实验室，上海 200241；2.华东师范大学/地理信息科学教育部重点实验室，上海 200241；3.华东师范大学地理科学学院，上海 200241 摘要：河口水体中硝化微生物的化能自养固碳（DCF）对碳氮循环过程有着重要影响，但目前关于河口水体氨氧化微生物对DCF 过程的贡献鲜见报道。以长江口为研究区，利用14C 和15N 同位素示踪技术，分别测定了大潮和小潮期间水体 DCF 和硝化速率，并通过实时荧光定量 PCR 技术量化了相关功能基因丰度。结果表明，长江口水体大小潮期间，DCF 和硝化速率分别介于 170.721 007.35 nmolL1d1和 1.4570.75 nmolL1h1，呈现大潮速率相对较高，小潮速率低的变化特征，且底层水体 DCF 和硝化速率显著高于表层水体。水体中铵盐和可溶性无机碳浓度是影响 DCF 和硝化速率的关键环境因子。定量PCR 结果表明，大潮和小潮时 cbbL 基因丰度分别为 0.401083.40108 copiesL1和 0.491082.27108 copiesL1，均高于cbbM 基因丰度（大潮：0.671089.84106 copiesL1，小潮：0.751085.73106 copiesL1）。小潮时水体 accA 基因丰度（0.161082.65108 copiesL1）高于大潮时（0.201083.92108 copiesL1），并且底层均高于表层。在整个潮周期中，自养固碳功能基因丰度总体呈现涨潮时增加，落潮时降低的变化趋势。氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）是 DCF 过程的主要贡献者，AOA amoA 和 AOB amoA 丰度在大潮和小潮之间存在显著差异，大潮时 AOA amoA 基因丰度（0.221073.59107 copiesL1）明显高于 AOB amoA 基因丰度（0.261071.61107 copiesL1），而小潮时 AOB amoA 丰度占据优势，为 0.921061.32106 copiesL1，表明潮汐过程可通过改变水体化能自养微生物群落组成来影响 DCF。该研究深化了长江口潮周期水体 DCF 和硝化过程速率变化特征的认识，揭示了河口水体硝化微生物驱动的 DCF 过程的重要性，以期为全球变化背景下河口生态系统碳汇功能评估提供一定的科学参考。关键词：化能自养微生物；长江口；硝化速率；固碳速率；丰度；环境因子 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.04.011 中图分类号：X172 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2023）04-0733-11 引用格式：王馨雨,高灯州,刘博林,王斌,郑艳玲,李小飞,侯立军,2023.长江口水体化能自养固碳过程的潮周期变化特征及影响因素J.生态环境学报,32(4):733-743.WANG Xinyu,GAO Dengzhou,LIU Bolin,WANG Bin,ZHENG Yanling,LI Xiaofei,HOU Lijun,2023.The tidal-cycle variation and influencing factors of dark carbon fixation process in the Yangtze Estuary J.Ecology and Environmental Sciences,32(4):733-743.大气二氧化碳（CO2）浓度升高导致的全球变暖是人类当前面临的严峻挑战。除控制 CO2排放源外，加强生态系统中 CO2的固定也是应对这一环境问题的重要手段。河口海岸作为陆海相互作用的重要生态系统，具有较强的固碳潜力，是地球表层系统内重要的碳汇（Hu et al.，2016；Schuerch et al.，2018）。在河口生态系统中，前人对于固碳过程的研究主要集中于光合微生物（Duarte et al.，2013；Meng et al.，2019），它们以大气或水中的无机碳作为碳源，在光照条件下将其转化为有机碳供给食物网或沉积埋藏。除光合作用固碳外，化能自养微生物可通过氧化各种还原性底物（如铵、亚硝酸盐和硫化物）获得代谢能，固定大气或水体中的 CO2，这一过程称为化能自养固碳过程（Dark carbon fixation，DCF）（Vasquez-Cardenas et al.，2020）。因此，研究河口海岸 DCF 过程及其影响因素对评估河口生态系统碳汇功能具有重要的理论与现实意义。长期以来，人们认为自然环境中 DCF 对初级生产力的贡献相比于光合固碳过程是微不足道的，因而关于化能自养微生物固碳的研究较少（Taylor et al.，2003；Frankenbach et al.，2020）。随着固碳研究的深入，DCF 过程也日益备受关注。Middelburg（2011）研究表明，全球海洋水体环境中硝化微生物是 DCF 过程的主要贡献者，且在总固定碳量中占734 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）实质性比重。硝化微生物包括氨氧化古菌（AOA）（Knneke et al.，2005）、氨氧化细菌（AOB)，亚硝酸盐氧化细菌（NOB）（Daims et al.，2016），以及最近发现的全程氨氧化细菌（Comammox）（Daims et al.，2015；van Kessel et al.，2015）。硝化微生物是专性自养微生物，以 CO2作为碳源，通过氧化铵盐或亚硝酸盐获得能量来固定 CO2（Liang，2020）。在所有的硝化微生物中，AOA 和 AOB 是水体中DCF 的重要贡献者，它们通过氨氧化过程获取能量，用于对无机碳的固定，在全球碳氮循环中发挥着重要作用（Dang et al.，2013；Long et al.，2015；Hu et al.，2016；Alfreider et al.，2017；刘琼等，2017）。氨单加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）是氨氧化过程的关键酶，编码该酶 亚基的 amoA 基因是研究氨氧化微生物的主要生物标记物。AOA 和AOB 的主要固碳途径分别为 3-羟基丙酸/4-羟基丁酸酯循环（3-hydroxypropionate/4-hydroxybutyrate Cycle,HP/HB）（DeLong et al.，2006）和卡尔文-本森循环（Calvin-Benson-Bassham Cycle，CBB）（Forrest et al.，1971）。乙酰辅酶 A 羧化酶（Acetyl-CoA carboxylase，ACCase）是 HP/HB 循环的关键酶之一，编码其 亚基的 accA 基因作为分子标记物 用 于 鉴 别 利 用 该 循 环 的 化 能 自 养 微 生 物（Yakimov et al.，2009；Bergauer et al.，2013）。CBB循环的关键限速酶是 1,5-二磷酸核酮糖羧化酶（RubisCO），按照结构、催化性能和对 O2敏感性可将其分为 IIV 4 个类型（Berg，2011），其中 cbbL、cbbM 基因分别编码 RubisCO I 型和 II 型的大亚基，被广泛用于分析环境中利用 CBB 途径固碳的化能自养微生物（Herrmann et al.，2015；Wrighton et al.，2016）。当前，学者们对 DCF 过程已经开展了一定的研究，主要集中在开阔海洋（Guerrero-Feijo et al.，2018；Zhao et al.，2020）、内陆水体（Storelli et al.，2013；Pjevac et al.，2019）和土壤（Long et al.，2015；Xia et al.，2022）等生态系统。河口海岸作为海陆交互作用的关键过渡地带，受河流和潮汐作用影响，其 DCF 过程可能更加复杂。长江口作为我国最大的河流入海口，受潮汐作用显著（Dai et al.，2011），而至目前为止，关于长江口水体中 DCF 过程速率的潮周期变化特征及影响因素仍鲜见报道。基于此，本研究通过14C 和15N 同位素标记法，分析了长江口近岸水体 DCF 和硝化速率的潮周期变化，并探讨了 DCF 和硝化速率与环境因子和微生物丰度之间的关系，进一步深化了河口生态系统中 DCF和硝化耦合过程的认识，可为评估河口初级生产力提供一定科学依据。1 材料与方法 1.1 样品采集及理化因子测定 本研究分别于 2021 年 6 月 12 日（大潮）和 19日（小潮），在长江口 P1 站点进行 24 h 的连续观测（图 1）。现场调查期间，依据潮汐水文变化特征，每隔 3 小时使用卡盖式便携采水器采集表层和底层水各 2 L。在采集样品的同时，使用光学后向散射浊度计（OBS-3A，美国）和多参数水质仪（Aqua 图 1 长江口采样点位置及采样时间布设图 Figure 1 The location of the sampling point and sampling time at the Yangtze River Estuary 王馨雨等：长江口水体化能自养固碳过程的潮周期变化特征及影响因素 735 TROLL 400，美国）对采样站位的盐度、水深、温度和 pH 进行测定（艾威等，2018）。使用 50 mL 和120 mL 的顶空瓶采集用于 DCF 和硝化速率培养的海水样品。水样采集时，将硅胶管插入顶空瓶底部，使水体通过硅胶管缓缓流入，避免产生气泡和涡旋。待装满并溢出至顶空瓶 2 倍体积后，轻提出硅胶管并迅速压盖密封。使用 0.45 m 聚醚砜水相滤头过滤 30 mL 水样，并放入20 冰箱中冷冻保存，用于营养盐、溶解无机碳（DIC）、溶解有机碳（DOC）和总氮（TN）分析。随后，取 1 L 水样经0.22 m 无菌玻璃纤维滤膜过滤（为减少微生物的损失，将真空压力控制在 0.03 MPa），滤膜装袋放置液氮罐保存，用于后续的微生物定量分析。在实验室中，使用 Skalar 连续流动分析仪（SAN plus，Skalar Analytical B.V.，the Netherlands）测定水样NH4+、NO2、NO3、SiO32和 PO43浓度。利用总有机碳分析仪（TOC-L analyzer and total Nitrogen module,Shimadzu，Japan）测定水体 DIC、DOC 和TN 浓度，测样过程中插入国际海水标样进行样品分析质量监控。所有理化参数的测定均设 3 个平行。1.2 化能自养固碳速率测定 本研究通过14C-NaHCO3同位素标记法测定水体 DCF 速率（Guerrero-Feijo et al.，2018）。为区分AOA 和 AOB 对微生物自养固碳的贡献，在分析过程中添加稀丙基硫脲（Allylthiourea，ATU）进行对照培养（Zheng et al.，2017）。具体地，使用 10 mL氦气置换出 50 mL 培养瓶中等体积的水样，并将样品分为两个不同的处理组：（a）14C-NaHCO3（specific activity 2.12106 Bqmol1，Perkin-Elmer，USA）；（b）ATU+14C-NaHCO3。向（b）组样品中加入 100 L ATU溶液（浓度约为 10 molL1）以抑制 AOB 的氨氧化活性（Peng et al.，2015），然后向两组样品中加入14C-NaHCO3（specific activity 2.12106 Bqmol1，Perkin-Elmer，USA），使培养体系终活度为 3.7106 BqL1（Herndl et al.，2005）。每组处理各包含 3 个平行和 1 个空白对照。在加入14C-NaHCO3之前，向空白对照中加入 4 mL 甲醛试剂（终体积分数为2%）。将所有培养瓶置于黑暗原位温度条件下培养24 h 后，通过向样品中加入甲醛试剂（终体积分数为 2%）终止培养，并将其放置 4 保存待测。在实验室中，将水样经 0.2 m 的无菌玻璃纤维滤膜过滤，过滤后将滤膜放置于闪烁瓶中，并与装有浓盐酸的平皿一起放入有机玻璃箱中，酸熏 12 h。将 5 mL 闪烁液分别加入酸熏后装有滤膜的闪烁瓶中，混合均匀后静置 18 h。随后，根据液体闪烁计数仪（300SL，Hidex，USA）使用说明上机完成测量，基于测量的每分钟衰变数（DPM）和水体中的DIC 浓度转化量，计算 CO2固定速率（Perner et al.，2010；Berg et al.，2015）：pmfpmdDICDCFpml()=ddcRdt（1）式中：RDCFCO2固定速率；t培养时间；dpmf和 dpmd样品和空白对照组的 DPM 值；dpml闪烁液本底的 DPM 计数；c(DIC)溶解无机碳的浓度。1.3 硝化速率测量 通过添加15NH4+示踪剂（98%15N；Sigma-Aldrich，USA）来测定水体中硝化速率（Newell et al.，2011；Ward，2011）。为区分 AOA 和 AOB 对于氨氧化过程的贡献，将样品分为两个不同的处理组：（a）15NH4+；（b）ATU+15NH4+。培养前，向（b）组顶空瓶中加入 100 L ATU 溶液（终浓度为 10 molL1）以抑制 AOB 的氨氧化活性。然后向两组样品中添加 100 L 15NH4+溶液（终浓度为 0.5 molL1）。每组处理各包含 3 个平行，将所有培养瓶置于黑暗原位温度条件下培养 24 h 后，取大约50 mL 的水样经 0.22 m 无菌玻璃纤维滤膜过滤至离心管中，并立即冷冻保存。实验室中，采用反硝化细菌法测定水体中 NOx（NO3+NO2）中的15N 同位素比例（Sigman et al.，2001；Casciotti et al.，2002）。将反硝化细菌（ATCC#13985）经接种在 500 mL 血清瓶中培养 610 d，而后将菌液分装入 20 mL 顶空瓶中，每个顶空瓶 3 mL。使用高纯度氮气（99.999%）曝气 3 h，以去除瓶中残留的 N2O、CO2、O2等气体，并维持厌氧条件。曝气结束后，用一次性注射器移取一定量的样品（约 20 nmol NOx）添加到顶空瓶中，倒置于培养箱中恒温（30）培养 24 h，使得 NOx完全转化为 N2O。培养结束后，使用一次性注射器注入 35 滴 10 molL1氢氧化钠以终止反应并固定 CO2。而后，反硝化菌产生 N2O 通过稳定同位素比质谱仪（IRMS，Delta V Advantage；Thermo）测量其同位素组成。培养前后水体中的 NH4+、NO2和NO3的浓度使用 Skalar 连续流动分析仪测定。硝化速率计算公式如下（Zheng et al.，2017）：NHNH0044NH41415NONONONOAO015()()=xxxxttttCCPCPCRttC+（2）式中：RAO硝化速率；736 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）PtNOx和 Pt0-NOx t 时刻和初始时刻中 NOx的15N 百分比；Ct0NOx和 Ct-NOx 初始和培养结束时刻NOx的浓度；tt0初始时刻和培养终止时间；C14NH4+和 C15NH4+水体中铵的浓度以及添加15NH4+后的终浓度。1.4 DNA 提取和荧光定量 PCR 微生物总 DNA 通过 PowerSoil DNA Isolation kit（MoBio，美国）试剂盒提取，经超微量分光光度计（NanoDrop2000，Thermo）检测其浓度和纯度后，用于分析微生物丰度。基于 amoA、accA、cbbM和 cbbL 等标记基因，分析自养微生物菌群丰度与自养固碳潜力的关联。具体的基因引物序列信息以及 qPCR 反应体系信息见表 1。样品及标准质粒样品（各 3 个平行）通过 ABI 7500 实时荧光定量 PCR仪（Applied Biosystems，加拿大）利用 SYBR 荧光染料定量 PCR 方法进行测定。标准曲线用一系列稀释 10 倍含有目标基因的标准质粒（已知拷贝数）来构建的，根据标准曲线计算基因丰度。1.5 统计分析 基于 SPSS 软件，使用单因素方差分析（ANOVA）对理化参数、DCF 速率和硝化速率的时空变化进行差异性统计分析。利用 R 软件包对DCF、硝化速率、功能基因丰度和理化特征进行Pearson 相关性分析。P0.05 表示统计学上存在显著差异。2 结果与分析 2.1 水体理化性质 大潮和小潮期间水体的理化参数如表 2 所示。大潮时水体盐度（9.0215.67）总体上高于小潮时水体盐度（6.8811.01）。大潮和小潮时水体 NH4+浓度分别为 0.543.14 molL1和 0.252.24 molL1，垂直方向上也表现为底层高于表层（F=4.395，P=0.045，ANOVA）。水体溶解氧在大潮期间范围为 5.988.23 mgL1，小潮期间为 6.178.15 mgL1。大潮时水体 NO3浓度介于 73.52105.38 molL1，而小潮时 NO3浓度为 76.78107.37 molL1，与盐度呈显著负相关关系（r=0.766，P0.001）。与 NH4+和 NO3浓度相比，水体NO2含量较低，其范围介于 0.160.42 molL1。水体 SiO32浓度总体上表现为大潮时（58.6683.92 molL1）显著低于小潮时（74.3487.07 molL1）（F=24.417，P0.001，ANOVA）。大潮和小潮时水体DIC浓度范围分别为1475.231610.20 molL1和 1393.941492.24 molL1，而 DOC 的浓度仅为 1.381.88 molL1。TN 浓度介于 100.05147.64 molL1，小潮时期 TN 浓度显著高于大潮时期（F=8.927，P=0.006，ANOVA）。2.2 水体固碳速率 长江口大小潮期间水体 DCF 速率如图 2 所示。大潮和小潮期间 DCF 速率变化差异显著，分别介于 170.721007.35 nmolL1d1和 171.58892.19 nmolL1d1，但随潮周期变化无明显规律。与表层水体（大潮：170.72614.21nmolL1d1，小潮：180.89892.19 nmolL1d1）相比，底层水体（大潮：258.651007.35 nmolL1d1，小潮：171.58862.91 nmolL1d1）具 有 更 高 的 DCF 速 率（F=10.086，P=0.003，ANOVA）。通过添加 ATU 区分 AOA 和 AOB 的固碳速率，结果显示，添加 ATU后 DCF 速率有所降低，其中大潮时 ATU 组表层水 表 1 qPCR 的引物和条件 Table 1 Primers and thermal cycling conditions for qPCR 目标基因 引物名称 序列(53)步骤及条件 参考文献 Bacterial 16S rRNA gene 341F CCTACGGGAGGCAGCAG 95 for 30 s,4595 for 15 s,59 for 30 s,72 for 34 s,72 for 5 min Muyzer et al.,1993 518R ATTACCGCGGCTGCTGG Archaea 16S rRNA gene Arch967F AATTGGCGGGGGAGCAC 95 for 30 s,4095 for 15 s,60 for 1 min,72 for 5 min Cadillo-Quiroz et al.,2006 Arch1060R GGCCATGCACCWCCTCTC Amo-AOA gene Arch-amoAF STAATGGTCTGGCTTAGACG 50 for 2 min,95 for 10 min,45 95 for 30s,56 for 40s,72 for 1 min,72 for 5 min Francis et al.,2005 Arch-amoAR GCGGCCATCCATCTGTATGT amoA-AOB gene amoA-1F GGGGTTTCTACTGGTGG 50 for 2 min,95 for 10 min,4595 for 30 s,58 for 40 s,72 for 1 min,72 for 5 min Nicolaisen et al.,2002 amoA-2R CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC accA gene Crena_529F GCWATGACWGAYTTTGTYRTAATG 95 for 30 s,40 95 for 5 s,48 for 10 s,72 for 34 s,72 for 5 min Yakimov et al.,2009 Crena_981R TGGWTKRYTTGCAAYTATWCC cbbM gene cbbM343F GGYAAYAACCARGGYATGGG 95 for 30 s,4095 for 5 s,57 for 5 s,72 for 34 s,72 for 5 min Alfreider et al.,2003 cbbM1126R CGYARBGCRTTCATRCCRCC cbbL gene K2F ACCAYCAAGCCSAAGCTSGG 95 for 30 s,4095 for 15 s,63 for 1 min,72 for 5 min Nanba et al.,2004 V2R GCCTTCSAGCTTGCCSACCRC 王馨雨等：长江口水体化能自养固碳过程的潮周期变化特征及影响因素 737 表 2 采样点理化特征 Table 2 Physical and chemical characteristics of sampling stations 样品 编号*温度/盐度 pH(DO)/(mgL1)c(NH4+)/(molL1)c(NO2)/(molL1)c(NO3)/(molL1)c(SiO32)/(molL1)c(PO43)/(molL1)c(DIC)/(molL1)c(DOC)/(mmolL1)c(TN)/(molL1)1-1S 23.86 13.02 8.59 6.55 2.410.11 0.280.05 78.925.74 61.602.01 1.350.06 1 534.5838.53 1.470.08 86.524.24 1-1B 23.62 13.05 8.59 5.98 3.050.18 0.240.03 75.543.62 58.661.59 1.170.09 1 610.2017.22 1.720.15 82.971.93 1-2S 23.76 9.76 8.51 7.58 1.220.07 0.180.02 92.524.79 66.680.44 1.340.21 1 566.7233.60 1.710.10 107.583.45 1-2B 23.61 10.54 8.55 6.64 1.570.12 0.200.01 88.955.11 67.974.12 1.310.12 1 580.3347.47 1.580.09 99.795.84 1-3S 23.17 8.68 8.58 8.23 0.540.06 0.160.07 105.387.20 83.922.28 1.370.14 1 529.2971.58 1.670.11 126.882.02 1-3B 23.48 9.02 8.50 6.91 1.320.12 0.220.02 96.786.58 73.021.75 1.360.12 1 544.0317.71 1.670.13 110.216.59 1-4S 23.35 9.08 8.51 6.27 1.580.09 0.180.04 87.476.02 74.915.62 1.280.10 1 540.638.49 1.540.09 103.510.34 1-4B 23.26 11.44 8.51 6.13 2.240.20 0.210.03 87.655.83 70.991.26 1.200.28 1 567.2168.35 1.700.14 96.655.69 1-5S 22.93 12.42 8.52 6.45 1.740.17 0.280.01 85.666.77 75.784.35 1.120.19 1 497.5333.12 1.550.12 94.461.80 1-5B 22.89 15.67 8.46 6.28 3.140.29 0.330.02 73.527.09 61.422.40 1.120.10 1 580.7120.80 1.570.08 80.372.02 1-6S 23.41 10.88 8.47 6.35 1.440.13 0.220.06 83.166.92 75.372.51 1.320.07 1 533.0755.28 1.570.09 100.960.44 1-6B 23.44 10.76 8.48 6.35 1.530.12 0.260.02 88.704.45 75.342.09 1.340.09 1 562.1838.46 1.500.13 97.472.05 1-7S 23.48 10.65 8.49 6.51 0.730.11 0.260.04 94.857.06 79.852.13 1.350.16 1 475.2310.55 1.520.08 107.662.49 1-7B 23.52 10.89 8.46 6.28 1.310.10 0.280.01 91.464.92 76.261.20 1.330.05 1 567.100.85 1.650.23 110.861.53 1-8S 23.65 13.89 8.44 6.05 2.300.14 0.260.02 82.3010.31 73.661.78 1.310.02 1 531.94101.79 1.380.14 93.345.63 1-8B 23.89 11.92 8.47 6.09 2.230.19 0.300.03 87.196.39 74.723.53 1.260.09 1 536.0940.64 1.490.11 98.383.58 2-1S 23.46 9.88 8.28 8.15 1.150.13 0.310.01 76.789.07 85.792.11 1.380.04 1 451.0367.00 1.380.10 105.352.71 2-1B 23.31 10.32 8.46 7.02 1.730.14 0.350.02 85.286.52 81.682.89 1.310.08 1 491.4822.21 1.490.09 106.176.44 2-2S 21.80 9.94 8.19 8.15 0.630.09 0.350.03 87.885.03 84.904.03 1.200.12 1 399.2321.89 1.520.05 105.972.05 2-2B 23.07 10.34 8.44 6.81 1.260.10 0.380.11 88.046.88 80.713.70 1.210.05 1 488.0854.67 1.880.12 100.055.58 2-3S 23.87 8.16 8.21 6.88 0.900.06 0.320.01 89.463.12 85.092.76 1.420.03 1 438.931.44 1.530.09 113.9310.52 2-3B 23.57 8.56 8.42 6.83 1.130.07 0.350.04 91.675.68 82.624.74 1.320.25 1 461.6130.53 1.580.13 114.021.31 2-4S 23.23 7.83 8.41 6.72 1.460.11 0.420.03 92.933.82 83.893.22 1.260.12 1 434.0230.63 1.840.20 147.647.21 2-4B 23.15 8.21 8.49 6.54 0.830.05 0.350.01 94.046.43 84.033.58 1.300.14 1 449.1457.88 1.580.02 113.586.09 2-5S 23.65 7.76 8.35 6.41 1.100.09 0.310.02 94.784.19 74.344.11 0.900.05 1 436.2844.07 1.540.40 107.810.34 2-5B 23.45 10.89 8.45 6.17 2.240.24 0.360.02 95.545.60 74.342.59 1.240.06 1 492.2410.85 1.710.09 103.188.88 2-6S 23.60 8.90 8.32 6.40 0.810.05 0.300.05 96.872.10 80.942.03 1.250.11 1 423.8119.24 1.420.11 110.622.12 2-6B 23.42 11.01 8.44 6.21 1.780.13 0.390.02 97.197.21 74.361.89 1.250.10 1 458.2176.73 1.440.10 105.643.79 2-7S 24.35 7.66 8.36 6.59 0.580.05 0.350.08 97.505.16 84.823.55 1.350.04 1 393.9439.09 1.410.05 106.616.02 2-7B 24.34 7.37 8.31 6.77 0.650.05 0.340.04 97.814.45 81.035.23 1.320.16 1 443.4713.23 1.540.14 110.451.89 2-8S 24.21 6.88 8.29 6.80 0.250.01 0.270.03 105.618.92 87.074.24 1.370.06 1 418.8970.02 1.620.29 123.134.33 2-8B 24.21 7.09 8.30 6.76 0.940.04 0.300.01 107.3710.39 84.922.36 1.350.12 1 437.6611.18 1.610.11 117.186.69*S 代表表层样品；B 代表底层样品；n=3 n=3。下同 图 2 表层和底层水体中添加和不添加 ATU 的 DCF 速率的潮周期变化 Figure 2 Tidal variations of DCF rates with and without ATU in surface and bottom water 738 生态环境学报 第32卷第4期（2023年4月）体 DCF 速率降低了 11.6%51.9%，而底层水体降低了 6.9%33.2%；小潮时 ATU 组表层和底层水体DCF 速率分别降低了 18.3%64.8%和 8.4%20.8%。2.3 水体硝化速率 长江口大潮和小潮期间水体硝化速率分别介于1.54 70.75 nmolL1d1和1.45 59.76 nmolL1d1（图 3）。大潮期间，水体硝化速率总体上随涨潮有所增加，随落潮略有降低，而小潮期间则无明显变化规律。底层水体硝化速率（7.0862.58 nmolL1h1）显著高于表层水体（1.7145.64 nmolL1h1）（F=12.711，P=0.001，ANOVA）。加入 ATU 后，除大潮表层水体外，其他水体样品的硝化速率均下降，其中小潮时表层水体硝化速率降低了 7.09%53.97%，底层水体的硝化速率降低了7.81%37.37%，而大潮时底层水体降低了2.07%55.17%。2.4 氨氧化微生物和自养固碳功能基因和丰度 定量 PCR 结果表明，大潮和小潮时 cbbL 基因丰 度 分 别 为 0.40108 3.40108 copiesL1和0.491082.27108 copiesL1，均高于 cbbM 基因丰度（大潮：0.671069.84106 copiesL1，小潮：0.751065.73106 copiesL1）。小潮时，水体 cbbM基因丰度表现为表层小于底层（F=12.687，P=0.003，ANOVA），而大潮时表层和底层差异不显著（F=3.078，P=0.101；图 4）。不论大潮或者小潮，底层水体 cbbL 基因丰度均显著高于表层水体（F=24.622，P0.001，ANOVA；图 4）。小潮时水体accA 基因丰度（0.161082.65108 copiesL1）小于大潮时（0.201083.92108 copiesL1），但底层均高于表层。在整个潮周期中，自养固碳功能基因丰度总体呈现涨潮时增加，落潮时降低的变化趋势。图 5 显示，大潮时 AOA amoA 基因丰度（0.221073.59107 copiesL1）总体上高于 AOB amoA 基因丰度（0.261071.61107 copiesL1），而 小 潮 时 表 现 为 AOB amoA 基 因 丰 度 较 高（0.921061.32106 copiesL1）。AOA amoA 基因丰度为 0.561068.67106 copiesL1，大潮时期AOA amoA 基因丰度是小潮时期的 460 倍。长江口近岸水体 AOA amoA 基因丰度呈现明显潮周期变化，大潮时期 AOA amoA 基因丰度的最大值为3.59107 copiesL1，小潮时期的最大值为 0.87107 copiesL1。2.5 DCF 速率、硝化速率、基因丰度与环境因子的关系 皮尔逊相关分析显示（图 6），DCF 速率与 DIC浓度（r=0.59，P0.001）和铵盐浓度（r=0.52，P=0.002）呈正相关关系，且与 cbbL（r=0.69，P0.001）和 accA（r=0.62，P0.001）基因丰度也呈显著正相关。相似地，硝化速率与 DIC 浓度（r=0.62，P0.001）和铵盐浓度（r=0.59，P0.001）以及 AOA（r=0.70，P0.001）和 AOB amoA 基因丰度（r=0.70，P0.001）均具有显著正相关关系。水体 DIC 浓度和 pH 呈显著正相关（r=0.78，P0.001），而铵盐浓度与水体盐度也具有显著正相关关系（r=0.85，P0.001）。线性回归分析结果表明（图 7），DCF 速率与硝化速率具有显著的正相关关系（r2=0.42，P0.001），拟合曲线截距为 284.52，图 3 表层和底层水体中添加和不添加 ATU 的硝化速率的潮周期变化 Figure 3 Tidal variations of ammonia oxidation rates with and without ATU in surface water and bottom water 王馨雨等：长江口水体化能自养固碳过程的潮周期变化特征及影响因素 739 预示着硝化微生物是 DCF 过程的重要参与者。3 讨论 河口水动力系统复杂，陆地和海洋输送的有机碳和无机碳