4.5.1 硝化细菌、亚硝化细菌与反硝化细菌数量研究
4.5.1.1 相关细菌数量的时间分布
一般来说，季节的变化尤其是环境温度的变化对湿地微生物数量有一定的影响。在炎热的夏季和温度适宜的秋季，对于水体内许多中温微生物来说，是其生长代谢的有利时期。在此期间，细菌通常处于一种最为活跃的状态，因此，各种细菌的数量也达到一年中的高峰阶段。白洋淀湖泊湿地中硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌也呈现明显的季节变化趋势。图4.28是白洋淀湖泊湿地小杨家淀实验区各采样点沉积物/土壤中硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌的时间变化趋势图。
图4.28 小杨家淀实验区各采样点沉积物/土壤中相关细菌的时间变化趋势图
由图4.28可以看出，小杨家淀实验区各采样点沉积物/土壤中硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌表现出基本相似的时间变化趋势，均呈现4—6月缓慢增多，6月以后快速达到最大值，并在7—8月保持较多的数量，然后在9月之后开始逐渐减少的现象。
6—9月正值北方的夏秋季节，温度较高、湿度适宜，是各种细菌快速繁殖的最佳时期，参与氮素循环的各种细菌也不例外，在数量上达到较高的水平。小杨家淀各采样点沉积物/土壤中硝化细菌和反硝化细菌的数量一般在104～105个/g干土范围波动，而亚硝化细菌的数量也多为103～104个/g干土。在白洋淀湖泊湿地中，参与氮素循环的不同细菌种群的大量存在，说明在该环境中微生物代谢活动非常活跃，为氮素代谢循环提供了必要的条件。10月到第二年的5月，北方逐渐进入寒冷的冬天，并经历日夜温差较大的初春季节，此时的环境条件限制了多数细菌的生长繁殖，使得湿地沉积物/土壤中的硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量降低，环境中氮素的循环过程也相应变缓。
4.5.1.2 相关细菌数量的空间分布
由于硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌的生理特性不同，导致它们在湖泊湿地中的空间分布呈现差异。图4.29是白洋淀湖泊湿地小杨家淀实验区沉积物/土壤中硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌的空间变化趋势图。
图4.29 小杨家淀实验区沉积物/土壤中相关细菌的空间变化趋势图
硝化细菌是对O2含量要求较高的细菌，而反硝化细菌多数为厌氧或兼性厌氧菌。从图4.29看出，采样点的氧化还原条件显著影响了硝化细菌和反硝化细菌的分布。从湖心区到湖滨带再到陆地区，硝化细菌数量逐渐增多，而反硝化细菌数量逐渐减少。X1和X2两点位于水面以下，为常年淹水区域，在该研究区域中，反硝化细菌成为参与氮素循环细菌中的优势菌，其数量是硝化细菌的2～4倍，为反硝化作用的进行提供了有利条件。X3点是水位频繁变化的区域，当水位下降时，土壤中丰富的养分和充足的氧气为硝化细菌和亚硝化细菌提供了生长繁殖的有利条件，而它们所进行硝化作用的产物又为反硝化细菌的生长提供条件，当水位上升后，反硝化细菌在适宜的环境条件下迅速繁殖，因此，该点硝化细菌和反硝化细菌的数量较相近。X4～X6是位于水面以上的陆地区，土壤以氧化条件为主，硝化细菌成为该区域的优势菌。
参与硝化作用的亚硝化细菌和硝化细菌都是以CO2为碳源的化能自养型细菌，但其功能各不相同。亚硝化细菌首先将氨氮氧化成亚硝酸盐，再由硝化细菌将亚硝酸盐氧化为硝酸盐，但在这一过程中产生的亚硝酸盐是对生物有害的致癌物质。从图4.29可以看出，小杨家淀沉积物/土壤中的硝化细菌数量大约比亚硝化细菌的数量高2个数量级，这种分布符合自然生态系统的特点，有利于亚硝酸盐快速氧化为硝酸盐，避免因亚硝酸盐积累而产生生物毒害作用。
4.5.1.3 相关细菌数量的影响因子
不同的环境因子影响硝化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌的数量、活性和群落结构，例如p H、湿度、氧气浓度、碳源、氮源等（Bergsma et al.，2002；Parry et al.，1999；Robertson et al.，2000；Rudaz et al.，1999；Tiedje，1988）。硝化细菌正常代谢需要高水平的氧，每毫克氮素经过整个硝化作用途径，由氨气转变为硝酸根，大约需要4.57mg DO来“清除”含氮物质释放的电子，而亚硝酸细菌和硝酸细菌有所差异，对DO浓度要求分别为1.0mg/L与2.0mg/L。同时，p H也是环境中影响硝化细菌的重要因素，当p H＞9.5时，硝化细菌受到抑制，在p H为6.0以下时，亚硝化细菌被抑制。刘学端等（2003）对海底沉积物的研究认为，硝酸盐和氧的水平是影响反硝化细菌群落的关键因素。
实验中对土壤温度、含水率、有机质和全氮等环境因子与硝化细菌和反硝化细菌间的关系进行了分析，发现只有土壤含水率和温度与其具有较好的相关性，而土壤有机质和全氮含量的相关性较差，可能原因为白洋淀湿地沉积物/土壤中有机质和全氮含量丰富，微小的差别不能够影响细菌的生长。图4.30和图4.31分别为土壤含水率和土壤温度与硝化细菌和反硝化细菌数量的相关关系图。
图4.30 土壤含水率与硝化细菌和反硝化细菌数量的相关关系图
图4.31 土壤温度与硝化细菌和反硝化细菌数量的相关关系图
由于土壤含水率的大小直接影响土壤中O2的含量，从而促进或抑制硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖。从图4.30可知，随着土壤含水率的增加，硝化细菌数量呈现减少的趋势，而反硝化细菌则是增加。这主要是两种细菌对土壤中O2含量的要求不同造成的。当土壤含水率高时，土壤间隙被水充满，O2含量就会减少，抑制了硝化细菌的生长；当土壤含水率低时，土壤间隙增多，O2含量也相应升高，从而促进了硝化细菌的生长，抑制了反硝化细菌的生长。
微生物的生命活动是由一系列生物化学反应组成的，而这些反应受温度的影响极为明显，因此，温度也是影响微生物生长的重要因素。任何微生物总有最低生长温度、最适生长温度和最高生长温度三个重要指标，即生长温度的三基点。在最低生长温度和最高生长温度范围内微生物均能生长，但在最适生长温度范围内生长速率达到最高。由图4.31可以看出，在整个实验过程中，小杨家淀土壤温度为10～35℃，在这个温度范围内，硝化细菌和反硝化细菌均能生长，但在25～35℃是硝化细菌和反硝化细菌的最适生长温度，其数量迅速增加，使得两种细菌的数量与土壤温度呈现出指数增长的关系。