4.5　白洋淀湖泊湿地硝化、反硝化作用研究

在湖泊沉积物/土壤中，通过生物与生物、生物与非生物之间的相互作用，与水体不断进行物质交换，周而复始地进行着各种物质的循环、转化，进而维持水环境的生态平衡。在湖泊沉积物/土壤中，所有生物都参与了物质的生物地球化学循环，而微生物由于本身所具有的特点，诸如种群数量多、分布范围广、繁殖速度快、适应性强、物质转化途径丰富多样等，在湿地生态系统的生物地球化学循环中发挥着非常重要的作用。

在环境微生物学研究中，常把微生物数量作为重要的检测指标之一，环境中微生物数量的多少及其活性的高低，从一个侧面反映该环境中物质循环的状况。通过对湖泊中不同生理功能类群细菌数量的检测和分布状况的分析，可以推测该水体环境中生源要素的循环状况。在湖泊沉积物中，由于受所处环境的地理位置、营养成分、透光性、氧气浓度、沉积深度、季节温差、污染物的种类与浓度等诸多因素的影响，微生物的种群数量以及分布状况存在各种差异。如常见的好氧细菌、厌氧细菌、硝化细菌、反硝化细菌4种主要功能类群的细菌，它们在各种生态环境中普遍存在，并在碳、氮元素的物质循环以及污染环境的生物修复中起重要作用。

湿地氮素的循环主要在硝化和反硝化过程中进行。湿地硝化作用是在一定的环境条件下，通过硝化细菌的作用，将—N转化为—N的生物过程，可以分为—N到亚硝酸（氨氧化）和亚硝酸到硝酸（亚硝酸氧化）两个转化过程，主要由两类化能自养微生物完成，即亚硝酸细菌进行—N的氧化，硝酸细菌完成亚硝酸的氧化（刘志培等，2004）。硝化细菌广泛分布于土壤、湖泊及海洋等环境中。目前参加硝化作用的细菌主要有硝化杆菌属（Nitrobacter）、硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化球菌属（Nitrococucus）、亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）、亚硝化螺菌属（Nitrosospira）、亚硝化球菌属（Nitrosococcus）、亚硝化叶菌属（Nitrosolobus）、硝化螺菌属（Nitrospira）、亚硝化弧菌属（Nitrosovibrio）（Buchanan et al.，1974）。另外，有些异养微生物也能进行硝化作用（Castignetti et al.，1984），如恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida）（Daum et al.，1998）、脱氮副球菌属（Paracoccus denitrificans）（Moir et al.，1996）、粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）（Anderson et al.，1993）等，这些微生物可以在低碳条件下进行硝化作用，也可以在有机土壤环境中进行硝化作用（Tate，1977）。

一方面，反硝化作用具有重要的生物学意义，它是全球生命活动所必需的，没有反硝化作用，大气将会成为无氮的气体，在氮饥饿时地球上生物生长停止的同时，地球氮的供应将以硝酸盐的形式聚集在海底；同时，反硝化作用也有助于污水纯化和饮用水的净化。另一方面，反硝化作用也不利于农业生产，施入土壤中的氮肥，30%以上由于反硝化作用变成N2而损失掉。此外，反硝化作用的同时也会产生大量的温室气体，如NO、NO2和N2O，这些气体引起全球气候变暖并破坏臭氧层结构（刘学端，2003；Conrad，1996）。参与反硝化作用的细菌主要有反硝化微球菌（Micrococcus Denitrificans）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginasa）、地衣芽孢杆菌（Bacillus lichoniformis）、反硝化单胞菌（Pseudomonas denitrificans）、反硝化色杆菌（Chomobacterium sp.）、紫色杆菌（Chromobacterium violaceum）等。据资料表明，从根际土壤分离的细菌，65%具有反硝化能力，且水稻根际的反硝化细菌数量达18×106个/g土，其R/S（根际土/非根际土）值一般为1～514，这种差异因土壤类型而异（李振高等，1993）。李振高等（1993）在实验中发现，从水稻根基土壤中分离获得的反硝化细菌占细菌总数的50%～70%以上，并且两者呈现正相关（P＜0.01），由此说明反硝化细菌没有专一性，可以认为大多数根际土壤中的细菌均为潜在的反硝化细菌。

在湿地氮素循环中多种微生物参与其中，但硝化作用和反硝化作用主要由细菌完成。因此，本章节以小杨家淀实验区为例，研究了白洋淀湖泊湿地细菌总数、硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量，以期分析其与氮循环的关系。