High Abundances and Expression Levels of Atypical, Non-Denitrifier N2O Reductases Drive Strong Microbial N2O Consumption Rates in a Minimally Impacted Mangrove Stand  

在受干扰较小的红树林中，非典型非反硝化菌N2O还原酶的高丰度和表达水平驱动强烈的微生物N2O消耗速率  

来源：Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 129, e2023JG007805  

《地球物理研究杂志：生物地球科学》第129卷，文章编号e2023JG007805  

 

摘要内容  

 

摘要研究了伯尔慕达红树林沉积物中微生物对N2O的消耗能力及其在短期营养富集下的稳定性。发现红树林沉积物在自然和适度富营养条件下均为N2O的净吸收区（-0.22至-0.30 μmol N2O m⁻² d⁻¹），表明其N2O消耗能力超过硝化和反硝化产生的潜力。分子数据显示，红树林中非典型反硝化菌的nosZII基因丰度和表达水平显著高于产生N2O的NESAP（东北亚北极太平洋）大陆边缘沉积物。NESAP沉积物的N2O净排放与典型反硝化菌nosZI基因的高表达相关，而红树林中nosZII主导的微生物群落作为低氮系统的N2O清除者发挥关键作用。  

 

研究目的  

 

探究海洋沉积物中微生物群落动态与N2O循环的关系，比较低氮红树林与高氮大陆边缘沉积物的N2O代谢差异，阐明非典型nosZII基因在调控N2O消耗中的作用。  

 

研究思路  

 

选取伯尔慕达红树林（低氮环境）和NESAP大陆边缘（高氮环境）沉积物作为对比模型。  

 

使用丹麦Unisense微电极测量孔隙水N2O和O2的垂直分布（图2、图3、图4），结合PROFILE模型计算N2O通量和产消速率。  

 

 

 

 

通过qPCR定量nosZI和nosZII基因及转录本的丰度（图4、图5），高通量测序分析微生物群落结构（图5）。  

 

 

对比两环境中基因表达、群落组成与N2O通量的关联。  

测量的数据及研究意义  

 

N2O和O2微剖面数据（图2、图3、4）：揭示红树林沉积物中N2O浓度随深度递减，且所有处理下均表现为净吸收；NESAP沉积物因高硝酸盐和低氧条件产生N2O净排放。  

 

意义：验证低氮环境中N2O的净消耗能力，明确产消速率的空间分布，支持微生物代谢驱动的通量差异。  

 

nosZI/nosZII基因丰度和表达数据（图4、图5）：红树林中nosZII基因占比91.8%，转录本占比84.8%；NESAP中nosZI表达更高（40.5%）。  

 

 

意义：揭示非典型nosZII基因在低氮系统中的主导地位及其作为N2O清除者的功能，解释环境氮水平对微生物代谢途径的选择压力。  

 

微生物群落结构数据（图5）：红树林以Cytophagales、Thiotrichales等菌群为主，与硫循环和有机质降解相关；NESAP以硝化菌（如Nitrosopumilales）和典型反硝化菌为主。  

 

 

意义：关联群落功能组成与N2O代谢途径，阐明不同环境下的氮循环策略差异。  

 

结论  

 

低氮红树林沉积物是N2O的净汇，其消耗能力由非典型nosZII基因主导的微生物驱动，且在适度营养富集下保持稳定。  

 

高氮大陆边缘沉积物（NESAP）中典型nosZI基因的高表达导致N2O净排放，反硝化是主要来源。  

 

非典型nosZII微生物在低氮系统中作为N2O清除者的生态功能显著，为保护沿海湿地减缓温室气体排放提供依据。  

 

Unisense电极数据的详细研究意义  

 

使用丹麦Unisense微电极的高分辨率测量（空间分辨率500 μm）实现了以下突破：  

精准定位N2O产消热点：通过孔隙水剖面（图2），发现红树林沉积物表层0-2 mm存在微弱N2O生产，但整体以深层（>2 mm）的强烈消耗为主，揭示产消过程的垂直分异。  

 

量化通量与模型验证：结合PROFILE模型，计算N2O通量（图3）和产消速率，证明红树林的净吸收（-0.22至-0.30 μmol m⁻² d⁻¹）与nosZII活性直接相关。  

 

揭示环境调控机制：O2渗透深度（1.2-2.8 mm）与N2O消耗区的重合表明低氧条件促进N2O还原，验证了氧梯度对微生物代谢的调控作用。  

 

跨系统对比：与NESAP沉积物的对比，突显氧和氮供给差异对N2O代谢途径（产/消）的选择性影响，为全球沉积物N2O模型提供关键参数。