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境微生物介導脫氮的影響

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

 

摘要核心內容

 

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，反硝化速率顯著下降（41%-53%，P< 0.05），導致總氮去除率降低（圖1c）。

 

 

酸化促進厭氧氨氧化（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（低鹽區增加214%，高鹽區增加49%，P< 0.05），加劇溫室效應（圖2）。

 

 

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

 

 

核心結論：酸化通過抑制反硝化主導的氮去除路徑，削弱河口海岸生態系統的脫氮功能，同時增加溫室氣體排放，加劇富營養化與氣候變化風險。

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兩種關鍵氮去除路徑的差異化效應。

 

解析微生物響應機制：比較反硝化菌與anammox菌在群落結構、功能基因豐度上的響應差異。

 

評估N?O排放響應：闡明酸化對沉積物N?O釋放的促進作用及其氣候效應。

 

研究思路

 

采用 “原位采樣-模擬酸化-多尺度響應分析” 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）。

 

多參數監測：

 

環境因子：pH、DO（Unisense電極）、鹽度、DIC等。

 

氮轉化速率：1?N同位素標記法測定反硝化與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）。

 

群落結構：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）。

 

 

 

 

機制闡釋：結合酶活性、碳源利用差異（反硝化依賴有機碳 vs. anammox利用無機碳）解釋差異化響應。

 

關鍵數據及研究意義

1. 氮去除速率（圖1）

 

數據：

 

反硝化速率：LHK站點降41%，LC站點降53%（圖1c）。

 

Anammox速率：LHK站點增47%，LC站點增109%（圖1d）。

 

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

 

2. N?O排放（圖2）

 

數據：酸化使N?O排放速率增加214%（LHK）和49%（LC）。

 

意義：證實酸化加劇溫室氣體釋放，為全球氮循環-氣候反饋模型提供關鍵參數。

 

3. 功能基因豐度（圖3）

 

數據：

 

反硝化基因（nirS、nirK、nosZ）豐度下降12%-44%。

 

Anammox菌16S rRNA基因豐度穩定（LC站點增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. 微生物群落結構（圖4-6）

 

數據：

 

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

 

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

 

意義：群落穩定性差異進一步支持anammox對酸化的耐受性，為生態功能穩定性預測提供依據。

 

結論

 

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

 

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

 

微生物機制差異：

 

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（無機碳利用優勢）。

 

nosZ基因豐度下降導致N?O還原受阻，加劇排放（圖3）。

 

生態啟示：未來酸化將加劇河口富營養化與氣候變暖，需統籌考慮酸化與缺氧的協同效應。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理

 

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μmol/L級。

 

直接插入沉積物-水界面，實時監測微尺度DO動態（如分層缺氧區）。

 

核心數據

 

酸化實驗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。

 

證實酸化效應獨立于DO變化（如LC站點DO穩定時反硝化仍降53%）。

 

界面DO梯度監測：

 

揭示沉積物表層氧化層厚度與反硝化活性的相關性（酸化未顯著改變DO分布）。

 

研究意義

 

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

 

機制驗證：

 

DO穩定性反證反硝化下降源于細胞內pH穩態破壞（非氧限制）（討論4.1節）。

 

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）。

 

技術優勢：

 

高分辨率：捕捉毫米尺度DO波動，避免傳統電極的空間平均誤差。

 

原位無損：保持沉積物結構完整，反映真實微環境下的微生物響應。

 

總結：Unisense電極通過精準量化DO動態，為“酸化獨立抑制反硝化”提供了不可替代的實驗證據，凸顯其在微界面生物地球化學研究中的關鍵價值。