Vysoká miera denitrifikácie a odstraňovania dusičnanov v studených priesakových sedimentoch isme journal

Vysoká miera denitrifikácie a odstraňovania dusičnanov v studených priesakových sedimentoch isme journal

Anonim

predmety

  • biofilmy
  • biogeochemistry
  • Mikrobiálna biooceanografia

abstraktné

Zmerali sme denitrifikáciu a rýchlosť odstraňovania dusičnanov v studených priesakových sedimentoch z Mexického zálivu. Miera heterotrofického potenciálneho denitrifikácie sa testovala v časových radoch inkubácií. Povrchové sedimenty obývané Beggiatoou vykazovali vyššiu mieru denitrifikácie heterotrofického potenciálu (32 μMN znížený deň -1 ) ako hlbšie sedimenty (znížené 11 μMN deň -1 ). Miera odstraňovania dusičnanov bola vysoká v obidvoch horizontoch sedimentu. Tieto rýchlosti odstraňovania dusičnanov sa premietajú do rýchlych časov obratu (<1 deň) pre dusičnanový pool, čo vedie k rýchlejšiemu obratu pre dusičnanový kúpeľ ako pre sulfátový kúpeľ. Tieto údaje spoločne podčiarkujú prísnu povahu vnútorného cyklovania dusíka pri studených priesakoch a požiadavku nových mechanizmov na dodávanie dusičnanov do mikrobiálnej komunity sedimentov.

úvod

Dusičnany sú bohaté (oxygen 30–40 μM) v hlbokých okysličených spodných vodách, ktoré prekrývajú studené presakovanie, ale nie sú k dispozícii údaje, ktoré by opisovali redukciu disimimulačnej dusičnanovej redukcie (ďalej len DNF) alebo celkovú rýchlosť odstraňovania dusičnanov v takýchto prostrediach. Väčšina štúdií cyklovania dusičnanov v studených saniach sa zamerala na kvalitatívne opisy baktérií oxidujúcich vakuolát sulfid oxidujúce (Teske a Nelson, 2006 a odkazy v nich), ktoré koncentrujú dusičnany vo svojich vakuolách a spájajú redukciu dusičnanov na oxidáciu sulfidov (McHatton et al., 1996)., Sayama a kol., 2005).

Chladné zátoky Mexického zálivu (GOM) sa vyznačujú bohatými zásobami redukovaného organického uhlíka vo forme kvapalných a plynných uhľovodíkov (Arvidson a kol., 2004, Joye a kol., 2004). Denitrifikačné baktérie majú metabolickú flexibilitu podobnú ako u baktérií redukujúcich sírany a môžu degradovať tekuté uhľovodíky (Widdel a Rabus, 2001). Vzhľadom na bohaté zdroje uhlíka a relatívne vysoké koncentrácie dusičnanov v prekrývajúcich sa vodách (Joye et al., 2004, 2010) je heterotrofný DNF pravdepodobne metabolickou cestou pri chladnom presakovaní.

Heterotrofný alebo nesulfidový DNF nebol meraný pri studených seepách, čo je prekvapujúce, pretože studené seepy podporujú extrémne vysoké miery heterotrofného metabolizmu, najmä redukciu sulfátov (Arvidson a kol., 2004; Bowles a kol., V stlačte tlačidlo). Napríklad oxidácia hexadekánu spojená s DNF je vysoko exergonickým procesom, ktorý vytvára 983 kJ na mol vytvoreného N2 (Widdel a Rabus, 2001):

Image

kde sa predpokladalo, že aktivity sú 10-2, pH 7 a uvažuje sa s kvapalným n- hexadekánom. Tu uvádzame prvotriedne testy heterotrofného potenciálneho denitrifikácie zo sedimentov zo severného studeného toku GOM.

Výsledky a diskusia

Koncentrácia celkového množstva rozpusteného anorganického dusíka (amoniak, 260 μM; dusičnan, 180 μM a dusitan, 8 μM) bola najvyššia tesne pod povrchom sedimentu (1, 5 cm, obrázok la). Profily koncentrácie pórovitého síranu vody ilustrovali významné odstránenie v hĺbke a sprievodné zvýšenie sulfidu (obrázok 1b). Pozorovanie nízkej akumulácie sulfidov a významných koncentrácií celkového rozpusteného anorganického dusíka v horných sedimentoch môže odrážať ukladanie dusičnanov a oxidáciu sulfidov Beggiatoom (Joye a kol., 2004).

Image

a ) Geochemická zložka NH4 + (μM), NO 3 - (μM), N02 - (μM), S02-2 (mM) a H2S (μM) v závislosti od hĺbky (cm), b ) Priemerné koncentrácie reaktantu, NO 3 - (μM) a potenciálnych produktov, NO 2 -, 29 N 2 a 30 N 2 (μ M) verzus čas (h) pre kašovité sedimenty od 0 do 6 cm, ako rovnako ako ( c ) horizonty 6 - 12 cm.

Obrázok v plnej veľkosti

Horné aj dolné sedimenty podporovali významné miery denitrifikácie heterotrofného potenciálu. V povrchových sedimentoch sa dusičnany rýchlo vyčerpali a produkcia 15 N-označených dinitrogénových produktov (17 μM30N2 a <1 μM29N2) bola ľahko zistiteľná po 4 hodinách (obrázok 1b). Lineárne odstraňovanie substrátu a akumulácia produktu v priebehu času viedli k odhadom rýchlosti odstraňovania dusičnanov a denitrifikácie heterotrofického potenciálu 96 a 32 μMN deň -1 . V hlbších sedimentoch sa tiež rýchlo spotreboval dusičnan (obrázok 1c) a súčasne sa vytvorilo 5 μM 30 N2; Generácia 29 N2 bola nízka (<1 μM). Pomery odstránenia dusičnanov a denitrifikácia heterotrofického potenciálu boli nižšie, v deň -1 znížené o 52 μM a 11 μM.

Pri studenom presakovaní GOM je redukcia síranu jediným terminálnym metabolickým procesom, ktorý bol kvantifikovaný (Arvidson a kol., 2004; Joye a kol., 2004). Ukazujeme, že denitrifikácia a odstránenie dusičnanov sú tiež dôležitými procesmi v týchto saniach. Denitrifikácia je dobre zdokumentovaná v mnohých ďalších prostrediach (Seitzinger, 1988 a odkazy v nej uvedené) a integrované rýchlosti sa typicky pohybujú od 1 do> 1 000 μmol N m- 2 h −1 v sladkých a morských systémoch. Hĺbkovo integrované miery potenciálnej denitrifikácie pre seepcie GOM sú 80 a 27 μmol N m −2 h −1 pre horný a dolný horizont sedimentu. Tieto hodnoty sú porovnateľné s mierami od pobrežných morských sedimentov (Seitzinger, 1988) a od mierne eutrofických po eutrofické sladkovodné prostredie. Odstránenie dusičnanov môže tiež odrážať ďalšie procesy, ako je asimilácia, skladovanie vo vákuu, redukcia na amoniak (DNRA) alebo výroba a odstránenie dusitanov pomocou anaeróbnej oxidácie amónia (ANAMMOX). Doteraz publikované údaje naznačujú, že DNRA môže byť dôležitejšia v sulfidických a uhlík bohatých studených prímesových sedimentoch ako ANAMMOX (Burgin a Hamilton, 2007).

Integrovaná miera denitrifikácie heterotrofného potenciálu vedie k extrémne rýchlemu času obratu (rádovo 2 dni) pre dusičnanový fond v týchto presakujúcich sedimentoch (obrázok 2). Doba obratu sulfátového bazéna bola 11 - 72 dní (Bowles a kol., V tlači; obrázok 2). Pri zohľadňovaní celkového odstraňovania dusičnanov je doba premeny zásob dusičnanov rýchlejšie v hornom a dolnom horizonte sedimentu 0, 7 a 0, 4 dňa. Tieto výsledky nás vedú k domnienke, že (1) heterotrofická denitrifikácia je relevantnou a dôležitou súčasťou cyklovania C a N v studených priesakoch a (2) redukcia disimimulačnej dusičnany, ukladanie dusičnanov vo vakuolách a / alebo asimilácia do biomasy si vyžadujú úzke spojenie dusíka - cyklické procesy a zvyšuje potenciál pre vnútorné zdroje dusičnanov, ako je anaeróbna nitrifikácia (Luther et al., 1997), a / alebo znižovanie obsahu dusičnanov spodnej vody v týchto biotopoch smerom nadol.

Image

Časy obratu (deň) dusičnanu a síranu z MC118 (doba obratu síranu vypočítané z údajov v Bowles a kol., V tlači) v dôsledku celkového odstránenia dusičnanov a denitrifikácie heterotrofného potenciálu a SR.

Obrázok v plnej veľkosti