Role of n-DAMO in Mitigating Methane Emissions from Intertidal Wetlands Is Regulated by Saltmarsh Vegetations

鹽沼植被調(diào)控n-DAMO在潮間帶濕地減緩甲烷排放的作用

來源：Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 1152-1163

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》2024年第58卷第1152-1163頁

摘要內(nèi)容：

研究通過分子生物學(xué)和穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，揭示了不同鹽沼植被類型（如蘆葦、海三棱藨草、互花米草）及裸露泥灘中n-DAMO（亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴的厭氧甲烷氧化）過程的生態(tài)功能差異及其微生物機(jī)制。結(jié)果表明，植被覆蓋的鹽沼（如海三棱藨草和互花米草）比裸露泥灘具有更高的n-DAMO速率（圖1a），顯著促進(jìn)甲烷氧化；而蘆葦濕地中n-DAMO貢獻(xiàn)最低（15.0%），其厭氧甲烷氧化主要由Fe3?驅(qū)動(dòng)（圖1c）。環(huán)境參數(shù)（如pH、總有機(jī)碳TOC、鹽度）和微生物群落結(jié)構(gòu)差異是調(diào)控n-DAMO過程的關(guān)鍵因素（圖4）。研究估算了中國沿海濕地n-DAMO每年可氧化1.8-22.6×10?噸甲烷，為濕地甲烷減排提供了科學(xué)依據(jù)。

研究目的：

明確不同鹽沼植被類型對n-DAMO過程的調(diào)控作用，揭示其微生物群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境驅(qū)動(dòng)機(jī)制，量化n-DAMO在沿海濕地甲烷減排和氮去除中的貢獻(xiàn)，為濕地生態(tài)系統(tǒng)管理和氣候變化緩解策略提供依據(jù)。

研究思路：

原位采樣與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在長江口崇明東灘采集不同植被（蘆葦、海三棱藨草、互花米草）及裸露泥灘的沉積物樣本。

n-DAMO速率測定：利用13CH?穩(wěn)定同位素示蹤法測定亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴的甲烷氧化速率（圖1a）及碳轉(zhuǎn)化效率（圖1b）。

微生物群落分析：通過16S rRNA測序、功能基因（pmoA、mcrA）qPCR及GeoChip技術(shù)，解析n-DAMO微生物的豐度與群落結(jié)構(gòu)（圖2-3）。

環(huán)境因子關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合隨機(jī)森林模型和Mantel檢驗(yàn)，揭示pH、TOC、鹽度等環(huán)境參數(shù)對n-DAMO過程的調(diào)控機(jī)制（圖4）。

氮去除潛力評估：基于n-DAMO速率與氮化學(xué)計(jì)量關(guān)系，估算其對濕地氮污染的去除貢獻(xiàn)。

測量數(shù)據(jù)及研究意義（對應(yīng)圖表）：

n-DAMO速率與碳轉(zhuǎn)化效率（圖1a-b）：

植被覆蓋區(qū)（海三棱藨草、互花米草）的n-DAMO速率顯著高于裸露泥灘（最高45.1 nmol 13CO? g?1 day?1），碳轉(zhuǎn)化效率（CCE）達(dá)9.1-10.2%。

意義：證實(shí)植被通過分泌有機(jī)酸降低pH、增加TOC，促進(jìn)n-DAMO微生物活性，增強(qiáng)甲烷氧化能力。數(shù)據(jù)來源：圖1a（速率）、圖1b（CCE）。

微生物群落結(jié)構(gòu)與功能基因（圖2-3）：

植被區(qū)硝化型n-DAMO細(xì)菌（如Candidatus Methylomirabilis oxyfera）和古菌（如Candidatus Methanoperedens）豐度更高（pmoA基因達(dá)1.6×10? copies/g，mcrA基因達(dá)5.1×10? copies/g）。

意義：群落結(jié)構(gòu)差異（如互花米草區(qū)以Cluster III古菌為主）導(dǎo)致不同植被區(qū)n-DAMO功能分化。數(shù)據(jù)來源：圖2（系統(tǒng)發(fā)育樹）、圖3（qPCR）。

環(huán)境參數(shù)調(diào)控機(jī)制（圖4）：

pH（負(fù)相關(guān)）、TOC（正相關(guān)）、鹽度（正相關(guān)）是n-DAMO速率的主要驅(qū)動(dòng)因子；Fe2?濃度與硝化型n-DAMO細(xì)菌活性正相關(guān)。

意義：植被根系分泌的有機(jī)酸（如丙酮酸、檸檬酸）降低pH，促進(jìn)n-DAMO微生物底物利用。數(shù)據(jù)來源：圖4a（隨機(jī)森林分析）、圖4b（Mantel檢驗(yàn)）。

氮去除潛力：

硝化型n-DAMO過程在植被區(qū)的氮去除貢獻(xiàn)達(dá)19.3-20.1%，高于厭氧氨氧化（0.6-7.5%）。

意義：n-DAMO不僅是甲烷氧化途徑，也是濕地氮污染治理的重要途徑。

結(jié)論：

植被覆蓋（尤其是海三棱藨草和互花米草）顯著提升n-DAMO速率，增強(qiáng)濕地甲烷氧化能力，而蘆葦濕地因根系通氣性強(qiáng)，n-DAMO貢獻(xiàn)低，主要依賴Fe3?驅(qū)動(dòng)甲烷氧化。

環(huán)境參數(shù)（pH、TOC、鹽度）通過調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)和功能基因豐度，影響n-DAMO過程的空間分異。

n-DAMO微生物每年可氧化1.8-22.6×10?噸甲烷，并去除0.7-8.3×10?噸氮，是沿海濕地甲烷減排和氮污染控制的關(guān)鍵途徑。

丹麥Unisense電極測量的數(shù)據(jù)研究意義：

使用Unisense氧微電極（OXY meter S/N 4164）測量沉積物溶解氧（DO），驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)瓶內(nèi)完全厭氧條件，確保n-DAMO速率測定的準(zhǔn)確性。具體意義包括：

厭氧條件驗(yàn)證：電極檢測DO濃度接近零（預(yù)培養(yǎng)后），排除氧氣干擾，確保n-DAMO微生物在嚴(yán)格厭氧環(huán)境下活動(dòng)。

過程關(guān)聯(lián)分析：DO數(shù)據(jù)與pH、TOC等參數(shù)結(jié)合，揭示植被根系通氣性（如蘆葦）對沉積物氧化還原狀態(tài)的調(diào)控，解釋n-DAMO速率差異。

實(shí)驗(yàn)質(zhì)量控制：高精度DO測量（分辨率達(dá)μmol/L級）保障了13CH?示蹤實(shí)驗(yàn)的可靠性，為后續(xù)同位素?cái)?shù)據(jù)（13CO?生成）提供基礎(chǔ)支持。

該數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)條件控制與微生物活動(dòng)響應(yīng)，為n-DAMO過程機(jī)制解析提供了關(guān)鍵物理化學(xué)背景參數(shù)。