近日，5123导航、环境与生态学院陈能汪教授团队在流域-近海系统环境生物地球化学过程研究方面取得进展，相关成果以“Impacts of a subtropical storm on nitrogen functional microbes and associated cycling processes in a river-estuary continuum”为题，在线发表于国际期刊Science of the Total Environment上。基于2019年一场洪水涨退全过程的精细化观测，本研究成功捕捉到极端水文条件下河口氮循环功能微生物的变化，提升了对全球变化背景下河海界面物质转运及其水文-生地化耦合机制的科学认知。
在全球气候变化影响下，极端天气事件（如洪水）发生的频率和强度总体上呈现增加和增强的趋势。前期研究已发现洪水径流脉冲形成河口冲淡水向外海扩展的现象，且洪水过程河流-河口连续体的盐度、颗粒物、氮磷浓度、形态和通量均有显著变化。然而，对于氮循环功能微生物如何响应洪水导致的环境变化并进而影响不同形态氮的向海转运，目前尚不清楚。
本研究于2019年6月在九龙江河流-河口设置定点观测站位（图1），完整捕捉到一场洪水过程（初始、涨水、退水和结束四个阶段，历时14天）的流量、营养盐、颗粒物与氮功能微生物等参数的脉冲信号（图2、图3）。基于此，研究团队重点探究了洪水期间河口氮循环功能微生物（硝化、反硝化、厌氧氨氧化和异化还原功能微生物）的动态变化规律及其水文调控机制。主要发现：
1. 洪水期间（涨水、退水），硝化功能基因amoA（氨氧化古菌AOA）、amoA（氨氧化细菌AOB）和nxrA（亚硝化菌NOB）的丰度分别是初始阶段（基流）的1.4、3.6和2.2倍（图3）。河口AOA的优势类群由海洋Nitrosopelagicus属转变为淡水Nitrosotenuis属；AOB仍以海洋Nitrosomanas属为主（图4）。AOA、AOB的丰度、熵权和多样性有明显增加，暗示洪水过程可能会促进河口的硝化作用。流域氨氮污染物通过洪水输入，同时洪水输入导致河口沉积物再悬浮并释放孔隙水中的氨氮，为硝化菌提供了丰富的底物；另一方面，洪水输入会提升溶解氧含量，有利于硝化菌的生长。同步观测到的水体中硝化产物（硝氮）浓度和氮同位素的变化也佐证了硝化作用增强的机制。
2. 洪水期间，反硝化功能基因narG和nirS的丰度分别降低了10%和29%，厌氧氨氧化基因（hzsB）和异化还原功能基因（nrfA）的丰度有所增加，是初始阶段（基流）的1.3倍（图3）。反硝化功能基因减少可能与水体溶解氧增加破坏其喜好的缺氧环境有关；洪水导致河床冲蚀和沉积物再悬浮可能导致厌氧氨氧化和异化还原功能基因丰度的增加。
3. 洪水期间，硝化微生物与反硝化微生物的生存策略存在不同的演变特征。洪水初期至涨水期，硝化微生物由颗粒附着态（particle-attached）转变为游离态（free-living）为主；而反硝化菌在洪水期间主要以颗粒附着态为主。
图1 九龙江河口站位（E）和河流站位（ZS、JD）
图2 洪水事件中河流流量、悬浮颗粒浓度（SPM）和无机氮浓度变化
图4 洪水事件中河口（JRE）与河流（WJR和NJR）氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的群落结构
本研究通过在流域-近海系统关键界面（最大浑浊带）开展高频连续观测和综合分析，填补了常规监测研究的不足，初步探明了河口氮循环微生物丰度、多样性以及群落结构对洪水事件的响应规律，发现了硝化作用增强、反硝化减弱的基本特征。不同河流-河口系统在洪水极端水文条件下功能微生物如何响应并调控氮磷碳的向海转运有待深入研究。
本论文第一作者为5123导航2017级博士生林静婕（2021年毕业），通讯作者为陈能汪教授。共同作者包括中国科学院城市环境研究所胡安谊研究员、广州大学洪义国教授、2019级博士生王芬芳。该研究获得国家自然科学基金（41676098、51961125203）资助。
论文来源
Lin J, Hu A, Wang F, Hong Y, Chen N*. 2022. Impacts of a subtropical storm on nitrogen functional microbes and associated cycling processes in a river-estuary continuum. Science of the Total Environment. 861, 160698.
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160698
拓展阅读
Lin JJ, Krom MD, Wang F, Cheng P, Yu Q, Chen N*. 2022. Simultaneous observations revealed the non-steady state effects of a tropical storm on the export of particles and inorganic nitrogen through a river-estuary continuum. Journal of Hydrology, 606: 127438-127450.
Zhang M, Krom MD, Lin J, Cheng P, Chen N*. 2022. Effects of a storm on the transformation and export of phosphorus through a subtropical river-turbid estuary continuum revealed by continuous observation. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 127, e2022JG006786.
供稿：陈能汪课题组
审核：杨进宇、刘志宇
