Effects of Aquatic Acidification on Microbially Mediated Nitrogen Removal in Estuarine and Coastal Environments

水體酸化對河口和沿海環(huán)境微生物介導(dǎo)脫氮的影響

來源：Environ. Sci. Technol. 2022, 56, 5939?5949

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究揭示了水生酸化對河口與海岸帶沉積物中微生物介導(dǎo)的氮去除過程的影響：

 

酸化抑制反硝化作用：水體pH降低約0.3單位時(shí)，反硝化速率顯著下降（41%-53%，P< 0.05），導(dǎo)致總氮去除率降低（圖1c）。

 

 

酸化促進(jìn)厭氧氨氧化（anammox）：相同條件下，anammox速率顯著提升（47%-109%，P< 0.05），但其貢獻(xiàn)率仍低于反硝化（圖1d-f）。

 

N?O排放加劇：酸化顯著刺激沉積物中N?O排放（低鹽區(qū)增加214%，高鹽區(qū)增加49%，P< 0.05），加劇溫室效應(yīng)（圖2）。

 

 

微生物群落響應(yīng)差異：反硝化菌豐度（nirS、nirK、nosZ基因）顯著降低，而anammox菌豐度保持穩(wěn)定（圖3）。

 

 

核心結(jié)論：酸化通過抑制反硝化主導(dǎo)的氮去除路徑，削弱河口海岸生態(tài)系統(tǒng)的脫氮功能，同時(shí)增加溫室氣體排放，加劇富營養(yǎng)化與氣候變化風(fēng)險(xiǎn)。

研究目的

 

量化酸化對氮去除速率的影響：探究pH下降對反硝化與anammox兩種關(guān)鍵氮去除路徑的差異化效應(yīng)。

 

解析微生物響應(yīng)機(jī)制：比較反硝化菌與anammox菌在群落結(jié)構(gòu)、功能基因豐度上的響應(yīng)差異。

 

評估N?O排放響應(yīng)：闡明酸化對沉積物N?O釋放的促進(jìn)作用及其氣候效應(yīng)。

 

研究思路

 

采用 “原位采樣-模擬酸化-多尺度響應(yīng)分析” 框架：

 

樣品采集與酸化模擬：

 

采集長江河口低鹽（LHK）與高鹽（LC）站點(diǎn)沉積物柱芯。

 

通過通入CO?混合氣體模擬酸化（pH降低0.3±0.1），維持原位溫度與溶解氧（DO）。

 

多參數(shù)監(jiān)測：

 

環(huán)境因子：pH、DO（Unisense電極）、鹽度、DIC等。

 

氮轉(zhuǎn)化速率：1?N同位素標(biāo)記法測定反硝化與anammox速率（圖1）。

 

N?O排放：氣相色譜法量化釋放速率（圖2）。

 

分子生物學(xué)分析：

 

功能基因豐度：qPCR定量反硝化基因（nirS、nirK、nosZ）與anammox菌16S rRNA基因（圖3）。

 

群落結(jié)構(gòu)：高通量測序分析微生物群落（門/科水平）及反硝化菌、anammox菌組成（圖4-6）。

 

 

 

 

機(jī)制闡釋：結(jié)合酶活性、碳源利用差異（反硝化依賴有機(jī)碳 vs. anammox利用無機(jī)碳）解釋差異化響應(yīng)。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 氮去除速率（圖1）

 

數(shù)據(jù)：

 

反硝化速率：LHK站點(diǎn)降41%，LC站點(diǎn)降53%（圖1c）。

 

Anammox速率：LHK站點(diǎn)增47%，LC站點(diǎn)增109%（圖1d）。

 

意義：首次量化酸化對河口氮去除路徑的相反效應(yīng)，揭示anammox作為潛在補(bǔ)償機(jī)制的局限性（總氮去除仍下降35%-47%）。

 

2. N?O排放（圖2）

 

數(shù)據(jù)：酸化使N?O排放速率增加214%（LHK）和49%（LC）。

 

意義：證實(shí)酸化加劇溫室氣體釋放，為全球氮循環(huán)-氣候反饋模型提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

3. 功能基因豐度（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

反硝化基因（nirS、nirK、nosZ）豐度下降12%-44%。

 

Anammox菌16S rRNA基因豐度穩(wěn)定（LC站點(diǎn)增13%）。

 

意義：從分子水平解釋速率變化，表明酸化通過抑制反硝化菌生長降低脫氮效率。

 

4. 微生物群落結(jié)構(gòu)（圖4-6）

 

數(shù)據(jù)：

 

反硝化菌群落顯著改變（如LHK站點(diǎn)Flavobacterium減少，Spirochaeta增加）（圖5）。

 

Anammox菌群落穩(wěn)定（Candidatus Brocadia為主）（圖6）。

 

意義：群落穩(wěn)定性差異進(jìn)一步支持anammox對酸化的耐受性，為生態(tài)功能穩(wěn)定性預(yù)測提供依據(jù)。

 

結(jié)論

 

氮去除功能受損：酸化抑制反硝化主導(dǎo)的氮損失路徑，總氮去除率下降35%-47%，削弱河口海岸的富營養(yǎng)化緩沖能力。

 

溫室效應(yīng)加劇：N?O排放顯著增加，放大氮循環(huán)對氣候變化的貢獻(xiàn)（N?O增溫潛勢為CO?的298倍）。

 

微生物機(jī)制差異：

 

反硝化菌對酸化敏感（酶活性抑制+碳源限制），anammox菌受益于DIC增加（無機(jī)碳利用優(yōu)勢）。

 

nosZ基因豐度下降導(dǎo)致N?O還原受阻，加劇排放（圖3）。

 

生態(tài)啟示：未來酸化將加劇河口富營養(yǎng)化與氣候變暖，需統(tǒng)籌考慮酸化與缺氧的協(xié)同效應(yīng)。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項(xiàng)解讀

技術(shù)原理

 

Unisense溶解氧（DO）微電極：

 

采用氧敏感針式傳感器（OXY Meter S/N 4164），檢測限達(dá)μmol/L級。

 

直接插入沉積物-水界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測微尺度DO動態(tài)（如分層缺氧區(qū)）。

 

核心數(shù)據(jù)

 

酸化實(shí)驗(yàn)DO控制：

 

維持原位DO水平（LHK: 2.1-2.3 mg/L；LC: 4.5-4.8 mg/L），排除缺氧干擾。

 

證實(shí)酸化效應(yīng)獨(dú)立于DO變化（如LC站點(diǎn)DO穩(wěn)定時(shí)反硝化仍降53%）。

 

界面DO梯度監(jiān)測：

 

揭示沉積物表層氧化層厚度與反硝化活性的相關(guān)性（酸化未顯著改變DO分布）。

 

研究意義

 

排除混雜因素：精準(zhǔn)控制DO，確保酸化（pH↓）是氮去除速率變化的獨(dú)立驅(qū)動因子（非缺氧效應(yīng)）。

 

機(jī)制驗(yàn)證：

 

DO穩(wěn)定性反證反硝化下降源于細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)破壞（非氧限制）（討論4.1節(jié)）。

 

支持“酸化直接抑制反硝化酶活性”假說（如硝酸還原酶最適pH偏離）（討論4.1節(jié)）。

 

技術(shù)優(yōu)勢：

 

高分辨率：捕捉毫米尺度DO波動，避免傳統(tǒng)電極的空間平均誤差。

 

原位無損：保持沉積物結(jié)構(gòu)完整，反映真實(shí)微環(huán)境下的微生物響應(yīng)。

 

總結(jié)：Unisense電極通過精準(zhǔn)量化DO動態(tài)，為“酸化獨(dú)立抑制反硝化”提供了不可替代的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，凸顯其在微界面生物地球化學(xué)研究中的關(guān)鍵價(jià)值。