氮是海洋生态系统中重要的生源要素，也是初级生产力的限制性因素。由于人为因素的干扰，往往导致大量的活性氮在河口及邻近海域积累。过度的氮负荷改变了沿海生态系统的氮循环平衡，从而产生了一系列如富营养化、有害藻类爆发、周期性或永久性的缺氧区域扩张，以及一氧化二氮（N₂O）排放等的生态环境问题。因此，沿海海洋生态系统的氮去除途径及其环境影响因素受到了广泛关注。厌氧氨氧化和反硝化反应作为海洋生态系统中氮去除的主要过程，可以通过将水生生态系统中的活性氮转移到大气中来抑制氮的积累。边缘海虽然仅占海洋总面积的8%左右，但是在全球范围内约45%的氮去除是依靠邻近海域、河口和大陆架沉积物的厌氧氨氧化作用和反硝化作用。因此，探索陆架海域氮的来源、迁移转化、去除途径及影响机制有助于提高对沉积物中氮去除和机理因素的认识。本研究选取东海陆架海域作为研究区域，分析表层沉积物的相关微生物氮转化过程及氮去除途径，并通过测定沉积物柱状样的生物标志物梯烷脂反演了此区域上世纪的厌氧氨氧化活动，从时间和空间的尺度上解释了沉积物的氮去除途径及机理过程。此外，通过外海的研究发现人为因素是造成东海陆架海域氮过量输入的重要原因。为了阐明富营养化海水的氮去除机制，构建实验室海水模拟体系，该模拟体系接种由东海陆架海域表层沉积物富集培养的海洋厌氧氨氧化菌（MAB），并通过人为控制氮输入量，模拟研究了海水体系的氮去除机制，为富营养化海水中氮的去除提供了一种方案。总之，本研究系统的探讨了外海的氮去除途径及生态因素和人为因素的影响，并通过室内培养实验提高了富营养化海水的有效氮去除。获得了如下的主要研究结果：

（1）基于东海陆架海域不同粒度表层沉积物的物理化学特性及相关微生物氮转化过程的研究发现，有机碳是海洋生态系统微生物厌氧氨氧化和反硝化氮去除途径的关键影响因素。东海陆架海域表层沉积物氮去除以反硝化作用为主，且泥质沉积物的氮去除速率显著高于砂质沉积物。有机碳含量丰富的泥质沉积物中反硝化和厌氧氨氧化作用相较于砂质沉积物更强烈，可能是因为有机碳的分解产生亚硝酸盐（NO₂^–），而NO₂^–既是反硝化的中间产物，也是厌氧氨氧化的底物，反硝化与厌氧氨氧化产生了耦合作用。

东海陆架海域泥质沉积物中的总有机碳（TOC）含量显著高于砂质沉积物，并且TOC浓度与沉积物平均粒径之间呈现显著负相关关系（r = –0.78，p < 0.01），说明沉积物粒径对控制TOC是十分重要的。研究区域的碳氮比（C/N）（6.04至7.18）和δ¹³C值（–22.50‰至–20.88‰）均表明表层沉积物的有机碳主要来自海洋环境。最终端元混合模型结果表明，海洋有机碳在东海陆架海域表层沉积有机碳中占主导地位，平均约占78%。源于陆地的有机碳在进入海洋生态系统后，经历了广泛的微生物改变，转化为海洋有机碳进行反应。东海陆架海域的氮去除以反硝化作用为主，泥质沉积物的氮去除速率（厌氧氨氧化速率：2.73 nmol N g^–1 h^–1，反硝化速率：14.39 nmol N g^–1 h^–1）显著高于砂质沉积物的氮去除速率（厌氧氨氧化速率：1.57 nmol N g^–1 h^–1，反硝化速率：5.55 nmol N g^–1 h^–1）。这主要是因为泥质沉积物中丰富的TOC含量，增加了与厌氧氨氧化和反硝化作用相关的功能基因的拷贝数。有机碳的分解产生NO₂^–，而NO₂^–既可作反硝化的中间产物又可作厌氧氨氧化的底物，因此，加强异养反硝化作用也可以提高厌氧氨氧化的活性。此外，东海陆架海域表层沉积物总梯烷脂获得高的数值（24-354 ng g⁻¹ dw），意味着近年来人为因素导致营养物质大量由长江口输入至东海，导致东海陆架海域持续的氮流失加剧。

（2）基于东海陆架海域沉积柱的理化特征及厌氧氨氧化特异性生物标志物梯烷脂的研究发现，总梯烷脂含量近60年来在增加，厌氧氨氧化作用逐渐增强。总梯烷脂含量在20世纪60年代之前含量较低，但自1960年之后显著增加，与中国经济快速发展时间相对应。可能是人为排入大量营养盐和有机碳进入东海，在海水富营养化现象愈发严重的同时，也导致水体中的溶解氧被大量消耗，进而造成海水缺氧严重，为厌氧氨氧化菌提供了良好的生存环境。

anammox 16S rRNA基因建立的系统发育树结果检索到的序列主要为Candidatus Scalindua，与长江口表层沉积物（KU218333.1、JX243219.1）、舟山群岛海洋沉积物（KF029964.1）以及中国南海表层沉积物（HQ665746.1）等环境来源的序列密切相关。各组分梯烷脂的浓度之间以及与总梯烷脂的含量之间的变化趋势类似，均表现出随时间增长的趋势，说明东海陆架海域厌氧氨氧化活动近年来加强的现象。悬浮颗粒物中较高的各组分梯烷脂含量主要出现在底层水中，这一现象表明东海陆架海域悬浮颗粒物中的梯烷脂是在水柱中产生的，而不是来自陆地环境或沉积物再悬浮。总梯烷脂含量在20世纪60年代之前波动于相对较低水平（16.36-47.11 ng g⁻¹ dw），然后在20世纪60年代之后开始显著增加（45.31-233.60 ng g⁻¹ dw）。厌氧氨氧化作用增强的时期与1960年后中国经济的快速发展相对应，因为大量的营养物质被排入东海陆架海域，加速了厌氧氨氧化菌的生长，进而导致了长江口附近的富营养化和缺氧现象。1960年后，沉积柱样DH5-0中TOC的含量与总梯烷脂含量有显著正相关关系（r = 0.366，p = 0.031），说明研究区域的富营养化与厌氧氨氧化反应密切相关。长江口悬浮颗粒物的搬运作用和人为因素导致的大量有机碳的输入是沉积有机碳增长的主要原因。支链GDGTs与总梯烷脂呈现出显著的正相关关系，这进一步表明了此区域因为缺氧的原因导致了厌氧氨氧化活性的增强。

（3）东海陆架海域沉积物时间和空间尺度上的研究发现人为影响是造成区域氮过量输入的重要原因。基于海水模拟系统中梯烷脂分析和¹⁵N同位素示踪技术的测定获得了富营养化海水的氮去除机制。海水模拟系统中厌氧氨氧化为主要氮去除过程，因为接种的MAB独特的生理特性使其在高盐度环境中表现出极大的耐受性，并使其能够提高富营养化海水的氮去除。模拟系统中海洋厌氧氨氧化菌属Candidatus Scalindua占据优势地位，且其丰度随着人为控制氮输入量的增大而增长（10.10%至81.71%），系统内环境适宜该菌属生长。

在实验室构建了海水模拟体系，并接种由东海陆架海域表层沉积物富集培养的MAB，通过人为控制氮输入量，研究了富营养化海水中氮的去除与细菌群落的关联性。结果表明，NH₄-N（Strength1为83.57%，Strength2为87.19%，Strength3为90.14%）、NO₂-N（Strength1为75.20%，Strength2为76.99%，Strength3为83.57%）和TN（Strength1为74.86%，Strength2为78.92%，Strength3为83.52%）的平均去除效率随着水体氮输入强度的增加而显著提高，氮输入最高的Strength3获得最佳氮去除。因为随着进水强度的增加降低了模拟系统水体中的溶氧水平，提高了相关厌氧微生物的生存空间和活性，从而促进了厌氧氨氧化菌的生长，提高了系统对氮的去除效率。氮负荷强度的增加增强了MAB接种的模拟系统的氮去除能力，厌氧氨氧化速率占总氮去除速率比值（ra）都在95%以上，表明厌氧氨氧化是该系统的主要氮去除途径。此外，高通量测序的结果显示，模拟系统以Candidatus Scalindua为主（Strength1 = 10.10%，Strength2 = 25.89%，Strength3 = 81.71%），说明系统内的环境适宜MAB的生长生存。nosZ和anammox 16S rRNA基因的丰度随着氮输入强度的增加而增加，与系统中氮去除的影响相对应。本研究通过接种MAB和调整氮输入量强度，提高了富营养化海水的氮去除效率，使其可应用于广泛的盐水原废水处理。

第 1 章 绪论...............................................................................................1

1.1 研究背景.............................................................................................................1

1.2 海洋生态系统氮循环过程.................................................................................2

1.3 氮去除过程的主要影响因素.............................................................................6

1.3.1 反硝化过程影响因素分析..........................................................................7

1.3.2 厌氧氨氧化影响因素分析..........................................................................8

1.4 氮去除测定方法研究进展...............................................................................10

1.4.1 基因拷贝法................................................................................................10

1.4.2 生物标志物法............................................................................................11

1.4.3 15N 同位素示踪法......................................................................................13

1.5 时空分布特征研究进展...................................................................................13

1.6 拟解决的科学问题...........................................................................................14

1.7 论文研究内容...................................................................................................15

第 2 章 研究区域概况与实验方法 ........................................................17

2.1 外海研究区域概况...........................................................................................17

2.2 外海调查站位与样品采集...............................................................................17

2.3 室内培养实验...................................................................................................18

2.3.1 海水体系的配置和操作............................................................................18

2.3.2 培养实验水样采集与分析........................................................................19

2.4 样品分析方法...................................................................................................21

2.4.1 理化性质测定............................................................................................21

2.4.2 有机碳、氮及稳定碳同位素....................................................................22

2.4.3 沉积物定年................................................................................................22

2.4.4 梯烷核心脂测定........................................................................................23

2.4.5 DNA 提取与高通量测序...........................................................................24

2.4.6 定量 PCR 测定..........................................................................................24

2.4.7 沉积物培养实验........................................................................................25

2.5 数据处理...........................................................................................................26

2.5.1 沉积物氮去除速率来源............................................................................26

2.5.2 核苷酸序列登录号....................................................................................26

2.5.3 培养实验废水氮去除率............................................................................26

2.6 统计分析...........................................................................................................26

第 3 章 有机碳对东海陆架海域沉积物氮去除的影响........................27

3.1 沉积物中有机碳的来源...................................................................................27

3.2 沉积物中梯烷核心脂的分布...........................................................................32

3.3 有机碳对氮去除的反应...................................................................................35

3.4 东海陆架海域的氮去除机制...........................................................................37

3.5 环境因素与微生物丰度之间的联系...............................................................41

3.6 本章小结...........................................................................................................43

第 4 章 140 年来东海陆架海域沉积物氮去除过程的反演.................45

4.1 研究区域的理化特征.......................................................................................45

4.2 anammox 16S rRNA 基因的群落组成及系统发育分析.................................48

4.3 梯烷脂在东海中的出现和起源.......................................................................50

4.4 梯烷脂反演过去厌氧氨氧化活动的变化.......................................................53

4.5 厌氧氨氧化与富营养化和缺氧之间的联系...................................................54

4.6 本章小结...........................................................................................................57

第 5 章 富营养化海水体系氮去除机制的模拟研究............................59

5.1 海水体系的整体氮去除性能...........................................................................59

5.2 海水体系中梯烷脂的变化...............................................................................63

5.3 微生物群落结构...............................................................................................64

5.4 海水体系的氮去除机制...................................................................................66

5.5 海水体系中厌氧氨氧化和反硝化细菌的潜在活性.......................................69

5.6 本章小结...........................................................................................................70

第 6 章 结论与展望 ................................................................................73

6.1 主要结论...........................................................................................................73

6.2 论文创新点.......................................................................................................75

6.3 研究展望...........................................................................................................75

参考文献...................................................................................................77

附录 缩略语.............................................................................................93

致谢...........................................................................................................95

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果......97