Particle-associated denitrification is the primary source of N2O in oxic coastal waters  

與顆粒物相關的反硝化作用是含氧沿海水域N2O的主要來源  

來源：Nature Communications (2023) 14:8280

《自然·通訊》第14卷（2023年），文章編號8280

 

摘要內容

 

研究通過氮同位素標記實驗，發現富營養化、高濁度的中國沿海水域（長江口、九龍江口、珠江口）是N2O排放熱點。與傳統認知相反，在含氧水域中，反硝化作用（而非氨氧化）是N2O的主要來源（貢獻率>50%）。粒徑分級實驗和基因分析表明：  

氨氧化菌主導小顆粒（<20μm）的N2O產生  

 

反硝化菌主導大顆粒（>20μm）的N2O產生  

 

N2O總產率隨底物濃度和顆粒物濃度增加呈非線性增長，揭示人類活動（營養鹽排放、泥沙輸入）通過改變顆粒物特征驅動沿海水域N2O排放。  

 

研究目的

 

闡明富營養化、高濁度沿海水域中N2O的主要來源及控制機制，解決傳統模型低估反硝化作用在含氧水域貢獻的問題。  

 

研究思路

區域選擇：中國三大河口（長江口、九龍江口、珠江口）作為人類擾動強烈的典型區域  

 

多參數觀測：采集107個水樣（60個站位），測量營養鹽、溶解氧（DO）、顆粒物（TSM/PN）、N2O濃度及通量（圖1）  

 

 

同位素標記實驗：  

 

48個位點的{}^{15}N標記培養（測量氨氧化、亞硝酸鹽氧化、硝酸鹽還原速率及N2O產率）（圖2-3）  

 

 

 

粒徑分級培養（揭示顆粒尺寸對微生物過程的分區效應）（圖4-5）  

基因分析：定量細菌/古菌amoA（氨氧化）、nirS/nirK（反硝化）基因豐度（圖4關聯數據）  

 

 

 

測量數據及研究意義

營養鹽與DO分布（圖1a-i）  

 

數據：高DIN（珠江口中位值130μmol/L）、低DO飽和度（九龍江口69%）  

 

意義：證實富營養化與缺氧狀態共存，為N2O產生提供底物和微環境條件  

N2O通量與濃度（圖1j-l）  

 

數據：N2O通量達1592μmol m?2 d?1（九龍江口）  

 

意義：量化沿海水域作為全球N2O熱點的排放強度  

N2O產率路徑（圖2-3）  

 

數據：反硝化路徑貢獻N2O比例（珠江口51%、九龍江口64%、長江口70%）  

 

意義：顛覆"含氧水域N2O主要來自氨氧化"的傳統認知  

粒徑分級速率（圖4）  

 

數據：大顆粒（>20μm）上反硝化貢獻>60% N2O（圖4d,h）  

 

意義：揭示顆粒尺寸調控微生物分區——大顆粒創造缺氧微環境促進反硝化  

基因豐度比（nir:amoA）（圖4關聯數據）  

 

數據：大顆粒上nir基因（反硝化）豐度高于amoA（氨氧化）  

 

意義：從分子生物學角度證實反硝化菌在大顆粒的競爭優勢  

 

丹麥unisense電極數據的詳細解讀

 

設備型號：Unisense微電極（MMM 7221）  

研究意義：  

高精度DO監測：在107個樣本中僅6個檢測到缺氧（DO<62.5μmol/L），證明水體整體含氧（圖1h-i）  

 

揭示微環境機制：盡管水體含氧，顆粒內部仍存在DO梯度（最低16μmol/L），解釋反硝化在含氧水域活躍的原因  

 

排除鹽度干擾：電極在河口高鹽環境（如Cl?=85,000 mg/L）中保持精度，確保DO數據可靠性（方法部分）  

 

關聯N2O產生：DO與N2O產率呈負相關（圖3d），驗證低DO微環境驅動反硝化型N2O生成  

 

結論

反硝化主導N2O產生：在含氧沿海水域，反硝化貢獻50-70% N2O（高于氨氧化），因顆粒內缺氧微環境促進該過程  

 

顆粒尺寸效應：  

 

小顆粒（0.2-20μm）：氨氧化主導N2O（>60%）  

 

大顆粒（>20μm）：反硝化主導N2O（>60%）  

人類活動影響：營養鹽輸入和泥沙輸送增加顆粒物濃度，通過促進反硝化加劇N2O排放（圖6）  

 

 

氣候反饋：富營養化與沉積物輸入呈非線性提升N2O排放，構成"人類活動-沿海增匯-全球變暖"正反饋循環