Effects of acidification on nitrification and associated nitrous oxide emission in estuarine and coastal waters  

酸度對(duì)河口及沿海水域硝化作用及關(guān)聯(lián)氧化亞氮排放的影響  

來源：Nature Communications, volume 14, Article number: 1380 (2023)  

《自然·通訊》第14卷，文章編號(hào)1380（2023年）

 

摘要內(nèi)容：  

該研究探討了河口及沿海水域酸化（由富營養(yǎng)化和大氣CO?升高共同驅(qū)動(dòng)）對(duì)硝化作用及關(guān)聯(lián)氧化亞氮（N?O）排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，酸化顯著抑制硝化速率（降低7.7-25.0%），但刺激了N?O排放（增加9.5-27.5%）。通過解耦實(shí)驗(yàn)和宏轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了高pCO?與低pH的獨(dú)立效應(yīng)及微生物分子響應(yīng)機(jī)制。  

 

研究目的：  

闡明河口及沿海水域酸化對(duì)硝化微生物功能（硝化速率及N?O排放）的影響機(jī)制，評(píng)估其對(duì)全球氮循環(huán)和溫室氣體排放的潛在影響。  

 

研究思路：  

野外采樣與酸化模擬：在長江口及鄰近海域（圖1）采集水樣，通過調(diào)控CO?濃度模擬不同酸化水平（pH降低0.10-1.05），測(cè)量硝化速率和N?O排放（圖2）。  

 

 

效應(yīng)解耦實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)連續(xù)流微宇宙系統(tǒng)，獨(dú)立控制pCO?（400/800 μatm）和pH（8.1/7.8），區(qū)分二者對(duì)硝化作用的獨(dú)立影響（圖3）。  

 

分子機(jī)制解析：通過長期培養(yǎng)富集硝化微生物，結(jié)合宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析關(guān)鍵功能基因表達(dá)變化（圖4-5）。  

 

 

微生物群落響應(yīng)：分析酸化對(duì)硝化微生物群落結(jié)構(gòu)的影響（圖6）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

硝化速率（圖2a, 3a）：酸化顯著抑制硝化速率，表明酸化削弱了氮循環(huán)的關(guān)鍵過程，可能影響生態(tài)系統(tǒng)氮去除能力。  

 

N?O排放速率（圖2b, 3b）：酸化顯著促進(jìn)N?O排放，突顯酸化可能加劇溫室效應(yīng)，需納入全球N?O排放模型。  

 

pCO?與pH獨(dú)立效應(yīng)（圖3）：高pCO?僅在非酸化條件下促進(jìn)硝化（"CO?施肥效應(yīng)"），酸化條件下則加劇抑制作用，表明酸化抵消了CO?對(duì)硝化菌的潛在益處。  

 

功能基因表達(dá)（圖4-5）：  

 

下調(diào)基因：氨單加氧酶（amoA）、羥胺脫氫酶（hao）等硝化關(guān)鍵酶基因，解釋硝化速率下降。  

 

上調(diào)基因：一氧化氮還原酶（nor）基因，證實(shí)N?O排放增加的酶學(xué)基礎(chǔ)。  

微生物群落變化（圖6）：酸化提高AOA（氨氧化古菌）和comammox（完全氨氧化菌）比例，表明群落結(jié)構(gòu)向低N?O排放類群演化。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的意義：  

使用丹麥Unisense針型傳感器（OXY Meter S/N 4164）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧（DO），確保實(shí)驗(yàn)全程維持高DO水平（>8.30 mg L?1）。其研究意義在于：  

排除反硝化干擾：高DO環(huán)境（>0.06 mg L?1）完全抑制異養(yǎng)反硝化（文獻(xiàn)49），證實(shí)N?O排放僅源于硝化作用（非反硝化途徑）。  

 

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件：DO穩(wěn)定性保障了硝化微生物的好氧代謝活性，確保酸化效應(yīng)歸因于目標(biāo)變量（pH/pCO?），而非缺氧脅迫。  

 

支持同位素示蹤結(jié)果：結(jié)合N?O同位素?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)一步證明N?O主要產(chǎn)自硝化途徑（如AOB的羥胺途徑或AOA的非生物反應(yīng)）。  

 

結(jié)論：  

河口酸化抑制硝化速率但促進(jìn)N?O排放，未來酸化加劇可能削弱氮循環(huán)效率并加速全球變暖。  

 

高pCO?在酸化條件下無"CO?施肥效應(yīng)"，反加劇硝化抑制和N?O排放。  

 

分子機(jī)制上，硝化菌通過上調(diào)V型ATP酶基因（維持胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)）和nor基因（增加N?O生成）響應(yīng)酸化脅迫。  

 

酸化驅(qū)動(dòng)硝化群落向AOA和comammox演化，可能改變生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)路徑。