研究簡介:本研究聚焦于富氧沿海水域中一氧化二氮（N2O）的產生機制，揭示了顆粒相關的反硝化作用是這些區域N2O的主要來源，挑戰了傳統認知中氨氧化主導的觀點。研究通過在中國沿海的長江口、九龍江口和珠江口進行的六次航次調查，結合氮同位素標記實驗和粒度分級操作，分析了N2O的分布、生成速率及其與環境因子的關系。結果顯示，研究區域的N2O濃度和通量顯著高于全球平均水平，表明富營養化和渾濁的沿海水域是N2O排放的熱點。N2O的生成與溶解氧（DO）、總溶解氮（DIN）和顆粒氮（PN）濃度呈顯著相關性，表明這些因子是N2O產生的重要調控因素。


出乎意料的是，反硝化作用對N2O的貢獻比例遠高于氨氧化作用，尤其是在硝酸鹽還原過程中，N2O產量顯著高于氨氧化過程。這表明在富氧環境中，反硝化作用通過顆粒物創造的微環境得以維持，并成為N2O的主要來源。進一步的粒度分級實驗表明，顆粒物濃度和粒徑對氮轉化過程和N2O生成具有顯著影響。氨氧化主要發生在小顆粒（<20μm）上，而反硝化作用則集中在大顆粒（>20μm）上。這種生態位分化表明，顆粒物的大小不僅影響微生物群落的分布，還決定了N2O的生成途徑。功能基因分析也支持了這一結論，大顆粒中反硝化菌的豐度更高，且對N2O的貢獻比例更大。


本研究的結論不僅挑戰了傳統觀點，還強調了顆粒物在沿海生態系統中的重要作用。這些發現為理解人類活動與全球氣候變化之間的相互作用提供了新的視角，并為改進全球N2O預算模型和制定減排策略提供了科學依據。


Unisense微電極研究系統的應用


Unisense微電極被用于測量海水中的溶解氧（DO）濃度。與傳統的溫克勒滴定法相比，微電極技術具有更高的空間分辨率和實時測量能力，能夠更精確地捕捉溶解氧在水體中的微小變化。這使得研究人員能夠在復雜的沿海環境中（如富營養化和渾濁的河口區域）更準確地評估DO的分布特征。高精度和高分辨率的DO測量，為理解沿海水域中N2O的生成機制提供了關鍵數據支持。其測量結果不僅揭示了DO濃度與N2O生成之間的關系，還為研究顆粒物微環境對反硝化作用的影響提供了重要依據。


實驗結果


傳統觀點認為氨氧化是富氧環境中N2O的主要來源不同，本研究發現反硝化作用（尤其是部分反硝化過程）在富氧沿海水域中對N2O的貢獻顯著高于氨氧化作用。這一發現挑戰了以往的認知，并強調了反硝化作用在沿海生態系統中的重要性。顆粒物濃度與N2O生成速率呈正相關，表明顆粒物在調節N2O產生中起關鍵作用。


進一步的粒度分級實驗揭示了顆粒物的粒徑對氮循環過程和N2O生成途徑的顯著影響：氨氧化主要發生在小顆粒（<20μm）上，而反硝化作用則主要集中在大顆粒（>20μm）上。這種生態位分化表明，顆粒物的微環境為反硝化細菌提供了有利條件，從而促進了N2O的生成。總溶解氮（DIN）濃度、溶解氧（DO）和顆粒氮（PN）濃度與N2O生成速率和通量呈顯著相關性。營養物質的富集和顆粒物的高濃度共同促進了N2O的生成，表明在富營養化和渾濁的沿海水域中，N2O的排放受到營養物質輸入和顆粒物濃度的雙重調控。在富氧的沿海水域中，顆粒物內部的微環境（如低溶解氧區域）為反硝化作用提供了適宜的條件。這種微環境的存在使得反硝化作用能夠在富氧水體中持續進行，從而成為N2O生成的主要途徑。

圖1、生物地球化學性質的分布，包括氮營養物質、溶解氧（DO）和N2O與鹽度的關系。(a)銨離子（NH4+）；(b)亞硝酸鹽（NO2-）；(c)硝酸鹽（NO3-）；(d)總懸浮物（TSM）；(e)顆粒氮（PN）；(f)PN:TSM（重量比）；(g)溫度；(h)溶解氧（DO）；(i)DO飽和度；(j)N2O；(k)N2O飽和度；(l)N2O通量。藍色、紅色和灰色的點分別表示來自珠江口（PRE）（2013年和2020年）、九龍江口（JLE）（2016年和2018年）和長江口（CJE）（2015年和2017年）的樣本。

圖2、來自多種底物的氮轉化速率和N2O產生速率的分布。(a)氨氮（NH3）氧化；(b)亞硝酸鹽（NO2-）氧化；(c)硝酸鹽（NO3-）還原為亞硝酸鹽；(d)氨氮氧化產生的N2O；(e)亞硝酸鹽還原產生的N2O；(f)硝酸鹽還原產生的N2O；(g)總N2O產生速率；(h)氨氮氧化產生N2O的比例貢獻；(i)亞硝酸鹽和硝酸鹽（NOX-）還原產生N2O的比例貢獻。藍色、紅色和灰色的點分別表示來自珠江口（PRE）、九龍江口（JLE）和長江口（CJE）的樣本。數據以均值±標準差表示。

圖3、氨氮（NH3）氧化和硝酸鹽（NO3-）還原過程中N2O的產率，以及測量速率與環境參數的Pearson相關性。(a–c)珠江口（PRE）、九龍江口（JLE）和長江口（CJE）中N2O產率的分布。黑色和白色的點分別表示硝酸鹽還原和氨氮氧化過程中的N2O產率。數據以均值±標準差表示。面板(a–c)中的誤差條表示基于三次重復培養（n=3個生物學獨立樣本）得出的速率標準差?？驁D中的數字表示中位值，以及最小值和最大值；胡須和框表示測量值的10%和90%的百分位數，以及25–75%的四分位數（PRE、JLE和CJE分別為20、9和19個站點的測量數據）。(d)來自所有研究區域樣本的Pearson相關性分析（n=48個生物學獨立樣本）。顏色漸變表示Pearson相關系數。

圖4、九龍江口（JLE）不同粒度分級的氮轉化和N2O生成速率（2018年）。(a–d)在JL0站點（鹽度=0）測量的速率，(e–h)在JL27站點（鹽度=27）測量的速率。(a,d)來自氨氮（NH4+）的N2O；(b,f)來自亞硝酸鹽加硝酸鹽（NOx-）的N2O；(c,g)每個粒度下氨氮氧化產生N2O的分數貢獻（即氨氮產生的N2O速率：對應粒度的總N2O速率）；(d,h)每個粒度下反硝化作用產生N2O的分數貢獻（即NOx-產生的N2O速率：對應粒度的總N2O速率）?？侼2O速率是氨氮（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）和硝酸鹽（NO3-）產生的N2O速率之和。

圖5、富營養化和渾濁沿海水域中與顆粒相關的N2O生成途徑概念性總結。上面板顯示了在超富營養化和高渾濁的河口和沿海水域中，關鍵的物理過程（虛線）和生物過程（實線）。圖中的棕色圓圈和黃色圓圈分別表示在大顆粒和小顆粒的與顆粒相關的微環境中，氮轉化和N2O生成途徑。在這兩種類型的顆粒中，部分反硝化途徑在富氧水域中對N2O的產生貢獻較大，且隨著顆粒大小的增加，反硝化細菌的相對豐度和顆粒相關反硝化對N2O的貢獻也在增加。下方面板是過去六十年（1950到2010年）全球氮營養物質輸入和沉積物負荷的示意圖。展示了在研究的河口中，營養物質濃度、總懸浮物（TSM）濃度和N2O生成速率隨鹽度變化的空間分布模式的卡通圖；以及沿顆粒大小譜分布的nir:amoA、反硝化和硝化作用對N2O生成的分數貢獻圖。


結論與展望


人類活動對海岸沿海海洋的干擾使其成為一氧化二氮（N2O）排放的熱點。然而支撐N2O通量的過程仍然理解不足，這導致全球N2O預算評估中存在較大不確定性。通過一系列氮同位素標記實驗，研究發現多個過程共同作用，促進了整個河口-海岸梯度中N2O的產生，并持續向大氣中排放大量N2O。反硝化作用，而非之前假設的氨氧化作用，構成了氧氣豐富的沿海水域中N2O的主要來源。通過粒度分級操作實驗和基因分析，研究人員進一步揭示了氨氧化菌和反硝化菌在顆粒大小譜上的生態位分化。反硝化作用主要發生在大顆粒上，而氨氧化作用則主要發生在小顆粒上?？侼2O的產生速率隨著底物和顆粒濃度的增加而提高，表明營養物質和顆粒之間的相互作用在控制N2O產生中起著關鍵作用。研究中，Unisense微電極被用于測量海水中的溶解氧（DO）濃度。溶解氧濃度與N2O生成速率之間存在顯著的負相關關系。較低的DO濃度促進了反硝化作用的活性，從而增加了N2O的生成。


通過Unisense微電極測量的DO數據，研究人員能夠更好地理解DO在調控N2O生成中的作用，并揭示顆粒物相關的微環境如何通過改變DO濃度影響反硝化過程。這里識別的控制因素有助于理解人類活動與沿海海洋之間的氣候反饋機制。本研究揭示的反硝化作用對N2O的主導貢獻以及顆粒物的調控作用，為改進全球N2O預算模型提供了重要的科學依據。研究結果表明，富營養化和顆粒物濃度的增加可能導致N2O排放的非線性增長，從而對全球變暖產生正反饋。因此理解和控制沿海水域的營養物質輸入和顆粒物濃度對于緩解N2O排放具有重要意義。本研究通過揭示富氧沿海水域中N2O生成的新機制，強調了顆粒物和反硝化作用在N2O排放中的關鍵作用，并為應對全球氣候變化提供了新的視角和科學依據。