​近海海洋环境科学国家重点实验室高树基课题组研究成果发表于Nature Climate Change
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发布时间: 2020-03-24 浏览次数: 557

3月23日,地学领域顶级期刊《自然·气候变化》(Nature Climate Change)在线发表了近海海洋环境科学国家重点实验室“海洋氮循环与全球变化”创新研究群体、氮循环课题组的最新研究成果,题为Warming stimulates sediment denitrification at the expense of anammox,揭示了气温升高将以抑制厌氧氨氧化为代价刺激沉积物反硝化,加剧全球变暖。

人类活动引起的活性氮添加已经成为仅次于生物多样性危机的全球第二严重的生态环境问题,而近岸水域生态系统受到的干扰尤为严重。微生物介导的反硝化和厌氧氨氧化是生态系统中两个主要活性氮的移除通路,是地球系统的自净过程。有趣的是反硝化以温室效应气体氧化亚氮(N2O)为中间产物,而厌氧氨氧化则不产生N2O,从而成为环境友好通路。陆海界面的沉积物是脱氮发生的热点场所,在未来全球暖化的背景下,脱氮微生物将直接受到升温的影响,其介导的脱氮速率量级变化将决定近海生态系统的活性氮储库大小,而反硝化与厌氧氨氧化对温度的差异性响应也将通过氧化亚氮释放反馈于气侯。

基于同位素配对技术,课题组以九龙江河口及其潮间带等典型陆海关键带为研究区域,通过沉积物温控培养实验,该研究首次开展了低纬度海陆界面沉积物氮移除过程的温度响应研究,分别获取了反硝化、厌氧氨氧化和N2O产生过程的温度响应曲线,得出各过程的Q10值,评估其温度敏感性;并进一步探讨气候变暖下全球范围不同纬度沉积物不同氮移除过程的响应及其气候反馈。研究发现,在低纬度沉积物中,升温直接刺激沉积物反硝化过程中N2O的释放,其Q10值显著高于反硝化和厌氧氨氧化过程的Q10值(图1)。全球集成数据揭示了任何纬度下反硝化过程最适温度(Topt)皆高于厌氧氨氧化过程的Topt(图2),表明反硝化细菌更能适应高温环境,而厌氧氨氧化细菌则相对嗜冷;同时,两个脱氮过程的Topt与原位环境温度呈现一致的纬度分布模式,表明原位环境温度也在调控脱氮细菌温度响应过程中扮演重要角色;另一方面,反硝化与厌氧氨氧化过程的Topt与原位环境温度的差异随纬度降低而减小,尤其在低纬度区域,原位环境温度逼近反硝化过程的Topt,甚至已经超过厌氧氨氧化过程的Topt,这一现象暗示在全球变暖的背景下,中高纬度沉积物反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌仍处于可耐受温度范围,而在低纬度区域,些微的升温即可能抑制厌氧氨氧化细菌活性。综上,未来全球变暖将可能削弱厌氧氨氧化,促进反硝化,导致更多的氮移除并以N2O形式排放,从而加剧全球变暖。

图1 反硝化过程中N2O释放,N2释放以及反硝化与厌氧氨氧化四个过程Q10值比较。D-N2O,D-N2,D和A分别表示反硝化介导的N2O释放,N2释放,反硝化和厌氧氨氧化过程。叉叉和空心圆圈分别表示夏季和冬季数据。* p<0.05。

图2全球尺度上不同纬度下反硝化过程Q10值,反硝化与厌氧氨氧化过程最适温度及其环境原位温度的纬度变化。横坐标表示不同的研究文献及研究区域的纬度。

该研究工作由近海海洋环境科学国家重点实验室海洋氮循环课题组完成,并获得了国家自然科学基金委“水圈微生物驱动地球元素循环的机制”重大研究计划和“海洋氮循环及全球变化”创新研究群体等项目的资助,氮循环课题组2019届博士生谭萼辉为第一作者,高树基教授为通讯作者。 

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41558-020-0723-2

(近海海洋环境科学国家重点实验室)

责任编辑:林济源


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