研究简介:本研究聚焦于富氧沿海水域中一氧化二氮（N2O）的产生机制，揭示了颗粒相关的反硝化作用是这些区域N2O的主要来源，挑战了传统认知中氨氧化主导的观点。研究通过在中国沿海的长江口、九龙江口和珠江口进行的六次航次调查，结合氮同位素标记实验和粒度分级操作，分析了N2O的分布、生成速率及其与环境因子的关系。结果显示，研究区域的N2O浓度和通量显著高于全球平均水平，表明富营养化和浑浊的沿海水域是N2O排放的热点。N2O的生成与溶解氧（DO）、总溶解氮（DIN）和颗粒氮（PN）浓度呈显著相关性，表明这些因子是N2O产生的重要调控因素。


出乎意料的是，反硝化作用对N2O的贡献比例远高于氨氧化作用，尤其是在硝酸盐还原过程中，N2O产量显著高于氨氧化过程。这表明在富氧环境中，反硝化作用通过颗粒物创造的微环境得以维持，并成为N2O的主要来源。进一步的粒度分级实验表明，颗粒物浓度和粒径对氮转化过程和N2O生成具有显著影响。氨氧化主要发生在小颗粒（<20μm）上，而反硝化作用则集中在大颗粒（>20μm）上。这种生态位分化表明，颗粒物的大小不仅影响微生物群落的分布，还决定了N2O的生成途径。功能基因分析也支持了这一结论，大颗粒中反硝化菌的丰度更高，且对N2O的贡献比例更大。


本研究的结论不仅挑战了传统观点，还强调了颗粒物在沿海生态系统中的重要作用。这些发现为理解人类活动与全球气候变化之间的相互作用提供了新的视角，并为改进全球N2O预算模型和制定减排策略提供了科学依据。


Unisense微电极研究系统的应用


Unisense微电极被用于测量海水中的溶解氧（DO）浓度。与传统的温克勒滴定法相比，微电极技术具有更高的空间分辨率和实时测量能力，能够更精确地捕捉溶解氧在水体中的微小变化。这使得研究人员能够在复杂的沿海环境中（如富营养化和浑浊的河口区域）更准确地评估DO的分布特征。高精度和高分辨率的DO测量，为理解沿海水域中N2O的生成机制提供了关键数据支持。其测量结果不仅揭示了DO浓度与N2O生成之间的关系，还为研究颗粒物微环境对反硝化作用的影响提供了重要依据。


实验结果


传统观点认为氨氧化是富氧环境中N2O的主要来源不同，本研究发现反硝化作用（尤其是部分反硝化过程）在富氧沿海水域中对N2O的贡献显著高于氨氧化作用。这一发现挑战了以往的认知，并强调了反硝化作用在沿海生态系统中的重要性。颗粒物浓度与N2O生成速率呈正相关，表明颗粒物在调节N2O产生中起关键作用。


进一步的粒度分级实验揭示了颗粒物的粒径对氮循环过程和N2O生成途径的显著影响：氨氧化主要发生在小颗粒（<20μm）上，而反硝化作用则主要集中在大颗粒（>20μm）上。这种生态位分化表明，颗粒物的微环境为反硝化细菌提供了有利条件，从而促进了N2O的生成。总溶解氮（DIN）浓度、溶解氧（DO）和颗粒氮（PN）浓度与N2O生成速率和通量呈显著相关性。营养物质的富集和颗粒物的高浓度共同促进了N2O的生成，表明在富营养化和浑浊的沿海水域中，N2O的排放受到营养物质输入和颗粒物浓度的双重调控。在富氧的沿海水域中，颗粒物内部的微环境（如低溶解氧区域）为反硝化作用提供了适宜的条件。这种微环境的存在使得反硝化作用能够在富氧水体中持续进行，从而成为N2O生成的主要途径。

图1、生物地球化学性质的分布，包括氮营养物质、溶解氧（DO）和N2O与盐度的关系。(a)铵离子（NH4+）；(b)亚硝酸盐（NO2-）；(c)硝酸盐（NO3-）；(d)总悬浮物（TSM）；(e)颗粒氮（PN）；(f)PN:TSM（重量比）；(g)温度；(h)溶解氧（DO）；(i)DO饱和度；(j)N2O；(k)N2O饱和度；(l)N2O通量。蓝色、红色和灰色的点分别表示来自珠江口（PRE）（2013年和2020年）、九龙江口（JLE）（2016年和2018年）和长江口（CJE）（2015年和2017年）的样本。

图2、来自多种底物的氮转化速率和N2O产生速率的分布。(a)氨氮（NH3）氧化；(b)亚硝酸盐（NO2-）氧化；(c)硝酸盐（NO3-）还原为亚硝酸盐；(d)氨氮氧化产生的N2O；(e)亚硝酸盐还原产生的N2O；(f)硝酸盐还原产生的N2O；(g)总N2O产生速率；(h)氨氮氧化产生N2O的比例贡献；(i)亚硝酸盐和硝酸盐（NOX-）还原产生N2O的比例贡献。蓝色、红色和灰色的点分别表示来自珠江口（PRE）、九龙江口（JLE）和长江口（CJE）的样本。数据以均值±标准差表示。

图3、氨氮（NH3）氧化和硝酸盐（NO3-）还原过程中N2O的产率，以及测量速率与环境参数的Pearson相关性。(a–c)珠江口（PRE）、九龙江口（JLE）和长江口（CJE）中N2O产率的分布。黑色和白色的点分别表示硝酸盐还原和氨氮氧化过程中的N2O产率。数据以均值±标准差表示。面板(a–c)中的误差条表示基于三次重复培养（n=3个生物学独立样本）得出的速率标准差。框图中的数字表示中位值，以及最小值和最大值；胡须和框表示测量值的10%和90%的百分位数，以及25–75%的四分位数（PRE、JLE和CJE分别为20、9和19个站点的测量数据）。(d)来自所有研究区域样本的Pearson相关性分析（n=48个生物学独立样本）。颜色渐变表示Pearson相关系数。

图4、九龙江口（JLE）不同粒度分级的氮转化和N2O生成速率（2018年）。(a–d)在JL0站点（盐度=0）测量的速率，(e–h)在JL27站点（盐度=27）测量的速率。(a,d)来自氨氮（NH4+）的N2O；(b,f)来自亚硝酸盐加硝酸盐（NOx-）的N2O；(c,g)每个粒度下氨氮氧化产生N2O的分数贡献（即氨氮产生的N2O速率：对应粒度的总N2O速率）；(d,h)每个粒度下反硝化作用产生N2O的分数贡献（即NOx-产生的N2O速率：对应粒度的总N2O速率）。总N2O速率是氨氮（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）和硝酸盐（NO3-）产生的N2O速率之和。

图5、富营养化和浑浊沿海水域中与颗粒相关的N2O生成途径概念性总结。上面板显示了在超富营养化和高浑浊的河口和沿海水域中，关键的物理过程（虚线）和生物过程（实线）。图中的棕色圆圈和黄色圆圈分别表示在大颗粒和小颗粒的与颗粒相关的微环境中，氮转化和N2O生成途径。在这两种类型的颗粒中，部分反硝化途径在富氧水域中对N2O的产生贡献较大，且随着颗粒大小的增加，反硝化细菌的相对丰度和颗粒相关反硝化对N2O的贡献也在增加。下方面板是过去六十年（1950到2010年）全球氮营养物质输入和沉积物负荷的示意图。展示了在研究的河口中，营养物质浓度、总悬浮物（TSM）浓度和N2O生成速率随盐度变化的空间分布模式的卡通图；以及沿颗粒大小谱分布的nir:amoA、反硝化和硝化作用对N2O生成的分数贡献图。


结论与展望


人类活动对海岸沿海海洋的干扰使其成为一氧化二氮（N2O）排放的热点。然而支撑N2O通量的过程仍然理解不足，这导致全球N2O预算评估中存在较大不确定性。通过一系列氮同位素标记实验，研究发现多个过程共同作用，促进了整个河口-海岸梯度中N2O的产生，并持续向大气中排放大量N2O。反硝化作用，而非之前假设的氨氧化作用，构成了氧气丰富的沿海水域中N2O的主要来源。通过粒度分级操作实验和基因分析，研究人员进一步揭示了氨氧化菌和反硝化菌在颗粒大小谱上的生态位分化。反硝化作用主要发生在大颗粒上，而氨氧化作用则主要发生在小颗粒上。总N2O的产生速率随着底物和颗粒浓度的增加而提高，表明营养物质和颗粒之间的相互作用在控制N2O产生中起着关键作用。研究中，Unisense微电极被用于测量海水中的溶解氧（DO）浓度。溶解氧浓度与N2O生成速率之间存在显著的负相关关系。较低的DO浓度促进了反硝化作用的活性，从而增加了N2O的生成。


通过Unisense微电极测量的DO数据，研究人员能够更好地理解DO在调控N2O生成中的作用，并揭示颗粒物相关的微环境如何通过改变DO浓度影响反硝化过程。这里识别的控制因素有助于理解人类活动与沿海海洋之间的气候反馈机制。本研究揭示的反硝化作用对N2O的主导贡献以及颗粒物的调控作用，为改进全球N2O预算模型提供了重要的科学依据。研究结果表明，富营养化和颗粒物浓度的增加可能导致N2O排放的非线性增长，从而对全球变暖产生正反馈。因此理解和控制沿海水域的营养物质输入和颗粒物浓度对于缓解N2O排放具有重要意义。本研究通过揭示富氧沿海水域中N2O生成的新机制，强调了颗粒物和反硝化作用在N2O排放中的关键作用，并为应对全球气候变化提供了新的视角和科学依据。