近日，5123导航、海洋与地球学院高树基教授团队与国内外合作者在河口-海岸水域N2O来源研究方面取得新进展。相关成果以“Particle-associated denitrification is the primary source of N2O in oxic coastal waters”为题发表于Nature Communications.
该研究利用同位素示踪技术，辅以分子生物学手段，揭示了颗粒物在有氧河口-海岸水域N2O产生的重要调控作用；厘清了该水域中N2O主要来自颗粒物微环境介导的不完全反硝化作用，而非传统认为的硝化（氨氧化）作用；并指出硝化过程与反硝化过程随颗粒物粒径谱存在生态位分离的现象。上述发现为研究人类干扰下的陆海关键带水域温室气体来源和排放提供了新视角。
研究背景
河口和海岸带地处海陆交界面，同时受到物理、生物以及人为活动的强烈影响。人类活动产生的不同形态含氮营养物和土地利用导致的颗粒物质大量排放，是影响全球近海生态系统的重要人为扰动因素，对全球近海海域的生物地球化学和温室气体通量具有深远影响。然而，关于人为扰动对于N2O的产生过程机理与速率的影响，目前尚缺乏系统研究，因此也限制了当前对于河口-海岸带N2O排放以及气候效应的预测能力。
为解决上述问题，该团队系统研究了中国三个大型河口和邻近海岸带水域跨环境梯度的N2O分布、通量和产生速率，进一步通过多同位素示踪技术和基于粒径谱的颗粒物分粒径培养，并与分子生物学技术相结合，解析了多个N2O生产过程和基于粒径谱的硝化和反硝化的生态位分离，明确了河口和海岸带水体的N2O来源。
研究结果
团队基于2013至2020年间在中国沿岸的三个大型河口（长江口、珠江口和九龙江口）共六个航次的观测和培养实验数据，系统探究了河口-海岸水体N2O的分布、通量与来源。研究结果显示：
1）富营养化、高浊度河口是N2O释放热点海区
所调查的珠江口、九龙江口与长江口海区均呈现高营养盐、高有机质和高浊度的环境特征（图1a-c）。调查期间研究区水体总体富氧（图1d），但存在较高的N2O浓度与海气释放通量（图1e, 1f）。上述结果支持富营养化、高浊度的河口-海岸系统是N2O释放热点海区的普遍认识。
图1. 河口水体主要理化特征与N2O分布
(a) 溶解性无机氮；(b)颗粒氮；(c)总悬浮颗粒物；(d)溶解氧；(e)N2O；(f)：N2O海气通量
图中蓝色，红色与灰色圆圈分别代表珠江口，九龙江口与长江口调查结果
2）反硝化是N2O的主要产生过程
通过多同位素示踪系统量化了水体主要氮动力（氨氧化、亚硝酸盐氧化与硝酸盐还原为亚硝酸盐）过程速率（图2a-c）；以及N2O的产生速率（图2d-g）。结果表明，河口水体具备极为活跃的微生物氮转化行为，速率总体随盐度增加而降低。此外，在富氧的河口-海岸水体，来自亚硝酸盐与硝酸盐还原的N2O占比超过了来自氨氧化的贡献，三个研究区的中位数分别为51%，64%和70%。因此，不完全反硝化，而非传统认知的硝化过程，才是水体N2O的主要产生源。
图2. 河口水体主要氮动力与N2O产生过程速率
(a-c)氨氧化过程、亚硝酸盐氧化过程与硝酸盐还原过程；(d-g)来自氨氧化、亚硝酸盐还原、硝酸盐还原及总N2O产生速率；(g-i)来自氨氧化与来自硝酸盐与亚硝酸盐还原的N2O占总N2O产生速率的比例
3）硝化与反硝化过程随颗粒物粒径谱呈现生态位分离
进一步的颗粒物分粒径调控实验表明，氨氧化与反硝化对于N2O的贡献在不同粒径上的相对贡献呈现不同的分布特点（图3）。在九龙江口两个站位进行的调控实验结果表明，氨氧化过程及其对于N2O的贡献主要集中于小粒径颗粒物上；而反硝化过程对于N2O的贡献则随粒径增大，比例逐渐增高，并主导大粒径颗粒物的N2O产生与释放。由此证明，硝化与反硝化微生物随粒径谱存在生态位的分离，主导了不同粒径上的N2O释放。
图3. 颗粒物分粒径N2O产生过程与速率调控实验
(a-b，e-f)氨氧化和不完全反硝化释放N2O速率在不同粒径上的分布；(c-d，g-h)氨氧化和不完全反硝化在不同粒径上对于N2O释放的相对贡献比例
4）小结与意义
该研究表明，在整个河口-海岸的环境梯度中，多个氮循环过程贡献了N2O的产生，共同维持了N2O在该区域向大气的高通量排放。结果进一步证明，在富氧沿岸水体中，与颗粒物生态位相关的不完全反硝化作用是N2O的主要来源，而非传统认知认为的氨氧化作用。同时，N2O产量随底物浓度和颗粒浓度的增加而增加，表明含氮营养物和颗粒物相协同在控制N2O的产量上的重要作用。上述现象的发现和机理的揭示有助于理解气候变化、人类活动与河口-海岸生态系统之间重要的反馈机制（图4）。
该研究是该团队继氨氧化古菌N2O产生过程机理[1]、开阔大洋真光层N2O动力过程与气候效应[2]研究之后的又一N2O研究成果。上述研究链接了室内纯株培养—近岸水体—开阔大洋N2O产生速率与机理解析，在一定程度上提升对海洋氮循环与N2O产生与释放的理解，有助于海气界面N2O通量研究的精确评估。
图4. 河口-近海高浊度水体多过程N2O生产过程概念示意图
研究团队及资助
该论文第一及通讯作者为普林斯顿大学博士后万显会，共同通讯作者为5123导航高树基教授，共同作者还包括5123导航盛华夏博士后、刘丽博士生、沈辉博士生、邹文彬工程师、陈明明博士生、张瑶教授，普林斯顿大学唐伟义博士后、Bess Ward教授和海南大学徐敏副教授、郑珍珍副教授、谭萼辉副教授。该研究获得国家自然科学基金（92251306, 41721005）以及美国Simons Foundation（675459）项目的联合资助。
Wan, X., Sheng, H. X., Liu, L., Shen, H., Tang, W., Zou, W., Xu, M. N., Zheng, Z., Tan, E., Chen, M., Zhang, Y., Ward, B. B. & Kao, S. J. (2023). Particle-associated denitrification is the primary source of N2O in oxic coastal waters. Nature Communications. 14, 8280.
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43997-3
扩展阅读：
[1] Wan, X., Hou, L., Kao, S. J., Zhang, Y., Sheng, H. X., Shen, H., Tong, S., Qin, W. & Ward, B. B. (2023). Pathways of N2O production by marine ammonia-oxidizing archaea determined from dual isotope labeling. PNAS. 120, e2220697120.
[2] Wan, X., Sheng, H. X., Dai, M., Casciotti, K. L., Church, M. J., Zou, W., Liu, L., Shen, H., Zhou, K., Ward, B. B. & Kao, S. J. (2023). Epipelagic nitrous oxide production offsets carbon sequestration by the biological pump. Nature Geoscience. 16, 29-36.
图、文｜万显会
编辑｜朱佳、苏颖
审核｜杨进宇、曹知勉
