Coupled methane and nitrous oxide biotransformation in freshwater wetland sediment microcosms

淡水濕地沉積物微生態(tài)系統(tǒng)中甲烷和氧化亞氮的耦合生物轉(zhuǎn)化

來(lái)源：Science of the Total Environment 648 (2019) 916–922

 

論文摘要

本研究首次在淡水濕地沉積物中證實(shí)了甲烷（CH?）與氧化亞氮（N?O）的耦合生物轉(zhuǎn)化過(guò)程。通過(guò)7天的厭氧培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，N?O的添加顯著刺激了沉積物中的微生物活動(dòng)，導(dǎo)致CH?排放減少和CO?積累。這一過(guò)程通過(guò)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：N?O對(duì)產(chǎn)甲烷作用的抑制和N?O依賴的厭氧甲烷氧化（AOM）。13C穩(wěn)定同位素示蹤實(shí)驗(yàn)測(cè)定N?O依賴的AOM速率為3.41 ± 0.13 nmol CO? g?1干沉積物·天?1。宏基因組分析表明，N?O添加提高了甲烷氧化菌的活性和豐度，并增強(qiáng)了電子傳遞鏈中的酶活性。研究表明，該過(guò)程由未鑒定的甲烷氧化菌通過(guò)N?O產(chǎn)生的“內(nèi)部氧氣”完成，對(duì)減少兩種強(qiáng)效溫室氣體排放和鏈接全球碳氮循環(huán)具有重要意義。

研究目的

本研究旨在：

 

探究N?O是否影響濕地沉積物中CH?的排放，這是一個(gè)此前被忽視的過(guò)程。

驗(yàn)證在淡水厭氧環(huán)境中，CH?的氧化是否能夠與N?O的還原相耦合，即是否存在N?O依賴的AOM。

 

闡明N?O依賴的AOM過(guò)程的微生物機(jī)制，包括鑒定相關(guān)的功能微生物群落及其代謝途徑。

 

研究思路

研究采用了“多尺度驗(yàn)證”的思路，逐步從現(xiàn)象觀測(cè)深入到機(jī)制闡釋：

 

初步培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：設(shè)置對(duì)照（無(wú)N?O）、實(shí)驗(yàn)（添加N?O）和滅菌組，在7天的厭氧培養(yǎng)中監(jiān)測(cè)頂空CH?、N?O和CO?濃度的變化，初步觀察N?O對(duì)CH?轉(zhuǎn)化的影響。

穩(wěn)定同位素示蹤：在長(zhǎng)期（30天）預(yù)培養(yǎng)建立穩(wěn)定微生物群落后，使用13CH?進(jìn)行48小時(shí)的示蹤實(shí)驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)13CO?的產(chǎn)生來(lái)直接證實(shí)N?O依賴的AOM的存在并量化其速率。

分子生物學(xué)分析：

 

qPCR：定量分析總細(xì)菌（16S rRNA）、N?O還原酶（nosZ）和甲烷單加氧酶（pmoA）基因的表達(dá)活性，從功能基因?qū)用骝?yàn)證微生物對(duì)N?O和CH?的響應(yīng)。

 

宏基因組測(cè)序：比較不同處理組（只加CH?、只加N?O、同時(shí)加CH?和N?O）的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能基因（KEGG注釋）差異，從群落和代謝通路水平揭示潛在機(jī)制。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來(lái)源）

研究測(cè)量了多方面的數(shù)據(jù)，其意義和來(lái)源如下：

 

頂空氣體濃度（CH?, N?O, CO?）：

 

意義：直接證明了N?O添加導(dǎo)致CH?消耗和CO?積累的現(xiàn)象，是發(fā)現(xiàn)耦合過(guò)程的起點(diǎn)。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。

 

13CO?產(chǎn)量：

 

意義：提供了N?O依賴的AOM發(fā)生的直接證據(jù)。同時(shí)添加13CH?和N?O的處理組產(chǎn)生的13CO?顯著高于只添加13CH?的組，證實(shí)了CH?碳源被氧化為CO?，且該過(guò)程依賴N?O。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

 

功能基因表達(dá)（qPCR）：

 

意義：從微生物活性角度解釋現(xiàn)象。同時(shí)添加CH?和N?O的處理組，其總細(xì)菌（16S rRNA）和甲烷氧化菌（pmoA）的活性均最高，表明N?O刺激了整體微生物活動(dòng)和特異性的甲烷氧化功能。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3a。

 

微生物群落組成（屬水平）：

 

意義：表明N?O的添加改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，雖然主要甲烷氧化菌屬未發(fā)生顯著變化，但某些菌屬（如Thiobacillus）的豐度變化暗示了可能的耦合過(guò)程參與者。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3b。

 

液相N?O濃度：

 

意義：解釋了頂空N?O濃度極低的原因——N?O快速溶解并消耗于液相中，證明了其作為反應(yīng)物的有效性。

 

來(lái)源：數(shù)據(jù)見(jiàn)附圖S1；使用丹麥Unisense微傳感器測(cè)量。

 

研究結(jié)論

 

首次證實(shí)耦合過(guò)程：首次在淡水濕地沉積物中證實(shí)了CH?和N?O的耦合生物轉(zhuǎn)化，該過(guò)程由未鑒定的甲烷氧化菌完成。

雙機(jī)制驅(qū)動(dòng)：耦合轉(zhuǎn)化通過(guò)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：(i) N?O抑制產(chǎn)甲烷菌活性，減少CH?生成；(ii) N?O依賴的AOM，將CH?氧化為CO?。

內(nèi)部產(chǎn)氧途徑：N?O依賴的AOM很可能遵循“內(nèi)部氧氣”途徑，即微生物通過(guò)還原N?O產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)O?，進(jìn)而用于需氧的甲烷氧化反應(yīng)。

微生物激活：N?O添加激活了甲烷氧化菌并增強(qiáng)了其電子傳遞鏈的活性，從而促進(jìn)了AOM過(guò)程。

 

全球意義：這一發(fā)現(xiàn)揭示了濕地等厭氧環(huán)境中存在一條新的、 previously overlooked 的溫室氣體匯，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估全球碳氮循環(huán)和溫室氣體預(yù)算具有重要意義。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在本文中，丹麥Unisense公司的N?O微傳感器被用于測(cè)量沉積物培養(yǎng)體系液相中的N?O濃度（數(shù)據(jù)在附圖S1中展示）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

揭示N?O的動(dòng)態(tài)消耗是反應(yīng)發(fā)生的前提：頂空氣體監(jiān)測(cè)顯示N?O濃度極低，容易被誤解為N?O未參與反應(yīng)。Unisense微傳感器提供的液相N?O濃度數(shù)據(jù)表明，N?O被迅速溶解到液相中（濃度高達(dá)290 μmol/L），并隨后被持續(xù)消耗。這確鑿地證明了N?O是作為一種有效的反應(yīng)物被微生物利用，而非惰性氣體，為整個(gè)“N?O依賴的AOM”假說(shuō)提供了至關(guān)重要的支撐。

闡明反應(yīng)發(fā)生的微環(huán)境：Unisense微傳感器能夠進(jìn)行原位、高分辨率的測(cè)量，避免了采樣帶來(lái)的擾動(dòng)和氣體逸散。其數(shù)據(jù)顯示液相中存在顯著且持續(xù)下降的N?O濃度梯度，這證明了反應(yīng)主要發(fā)生在沉積物顆粒與水的界面或沉積物內(nèi)部的微環(huán)境中，為理解反應(yīng)的空間位置和動(dòng)力學(xué)提供了關(guān)鍵信息。

 

連接氣液兩相，完整刻畫反應(yīng)過(guò)程：研究通過(guò)結(jié)合頂空氣相色譜（監(jiān)測(cè)CH?和CO?）和Unisense液相微傳感器（監(jiān)測(cè)N?O），構(gòu)建了氣-液兩相中所有關(guān)鍵氣體反應(yīng)物和產(chǎn)物的完整動(dòng)態(tài)圖譜。這使得研究者能夠清晰地描繪出“N?O從頂空溶解到液相并被消耗，同時(shí)CH?被氧化產(chǎn)生CO?”的整個(gè)耦合過(guò)程，極大地增強(qiáng)了研究結(jié)果的可靠性和說(shuō)服力。

 

綜上所述，使用Unisense微傳感器獲得的液相N?O濃度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為本研究論證N?O作為電子受體參與AOM這一開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)提供了不可或缺的、直接的證據(jù)。它解決了頂空監(jiān)測(cè)的局限性，確鑿地證明了N?O的消耗，從而將整個(gè)研究從現(xiàn)象觀察層面提升到了機(jī)理驗(yàn)證的高度。