研究簡介:由于人類活動(dòng)（如化石燃料燃燒、水泥生產(chǎn)、森林砍伐等），大氣中的CO2濃度不斷增加，全球平均濃度已達(dá)413.2 ppm，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末將超過800 ppm。約40%的工業(yè)時(shí)代排放的CO2被海洋吸收，導(dǎo)致表層海水pH值下降約0.1個(gè)單位，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)末pH值將再下降0.2-0.3個(gè)單位。本研究主要就河口和沿海水域酸化對(duì)硝化作用及其相關(guān)一氧化二氮（N?O）排放的影響進(jìn)行相關(guān)研究。隨著大氣二氧化碳（CO?）水平的上升，河口和沿海水域的酸化問題愈發(fā)嚴(yán)重，這不僅受到海洋吸收大氣CO?的影響，還與陸源營養(yǎng)輸入、沿海上升流和復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程密切相關(guān)。因此，深入理解硝化微生物對(duì)酸化的響應(yīng)對(duì)于預(yù)測(cè)河口和沿海生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化和人類活動(dòng)影響下的演變至關(guān)重要。研究在長江口及其鄰近沿海水域展開，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬，探討了不同酸化水平下硝化速率和N?O排放的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酸化顯著降低了硝化速率，即使在pH值僅下降0.1個(gè)單位時(shí)，硝化速率也減少了5.8%至18.1%。此外，酸化還顯著刺激了N?O的產(chǎn)生，即使在溫和的酸化條件下（pH值下降約0.1個(gè)單位），N?O排放率也增加了8.4%至23.1%。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，pH值的降低對(duì)硝化速率有顯著的負(fù)面影響，而CO?濃度的增加在酸化條件下進(jìn)一步抑制了硝化速率，并促進(jìn)了N?O的排放。轉(zhuǎn)錄組分析揭示了硝化微生物在酸化條件下的分子響應(yīng)機(jī)制。酸化顯著影響了硝化微生物的生理代謝，涉及氮轉(zhuǎn)化、細(xì)胞質(zhì)pH穩(wěn)態(tài)、能量產(chǎn)生和CO?固定的基因表達(dá)均受到顯著調(diào)控。例如，氨氧化細(xì)菌（AOB）的amoA基因表達(dá)在酸化處理下下調(diào)了66%，而與N?O產(chǎn)生相關(guān)的nor基因表達(dá)則上調(diào)，為酸化條件下N?O排放的增加提供了分子證據(jù)。

Unisense微呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense氧氣微電極被用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中水樣中的溶解氧（DO）濃度。在硝化和N?O排放率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，溶解氧濃度是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)境參數(shù)。Unisense微電極通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DO濃度，確保實(shí)驗(yàn)過程中溶解氧始終保持在飽和狀態(tài)。這對(duì)于維持硝化作用的正常進(jìn)行至關(guān)重要，因?yàn)橄趸?xì)菌需要充足的氧氣來完成氨氧化過程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究結(jié)果表明，由于人為活動(dòng)引起的富營養(yǎng)化和大氣CO2濃度升高的協(xié)同效應(yīng)，正在進(jìn)行的水體酸化可能會(huì)破壞氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并增加強(qiáng)效溫室氣體N2O的排放，特別是在河口和沿海水域。與我們的預(yù)期相反，在酸化條件下，升高的pCO2并未對(duì)化能自養(yǎng)硝化細(xì)菌展現(xiàn)“CO2施肥”效應(yīng)。硝化細(xì)菌在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)酸化的響應(yīng)顯著，并顯著上調(diào)了與細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)相關(guān)的基因表達(dá)，以應(yīng)對(duì)酸化壓力。這些結(jié)果為揭示酸化影響硝化作用和相關(guān)N2O排放的機(jī)制提供了重要的見解，進(jìn)一步的酸化可能通過刺激N2O排放改變河口和沿海水域的氮循環(huán)，并加速全球變暖。

圖1、研究區(qū)域和采樣地點(diǎn)，疊加在近底水pH值圖上。各站點(diǎn)用紅色星號(hào)標(biāo)記

圖2、模擬水體酸化對(duì)長江口及其鄰近沿海區(qū)域硝化作用和相關(guān)N?O產(chǎn)生速率的響應(yīng)。硝化速率。數(shù)據(jù)展示了酸化處理組與環(huán)境對(duì)照組相比硝化速率的百分比變化。所有線條的P值均小于0.05。b.N?O產(chǎn)生速率。數(shù)據(jù)展示了酸化處理組與環(huán)境對(duì)照組相比N?O產(chǎn)生速率的百分比變化。所有線條的P值均小于0.05。誤差條表示標(biāo)準(zhǔn)差（n=3個(gè)生物學(xué)獨(dú)立樣本）。ΔpH對(duì)應(yīng)水體酸化前后pH值的變化。擬合曲線是通過多項(xiàng)式擬合方法獲得的。

圖3、pCO?增加和pH降低對(duì)河口和沿海水域硝化細(xì)菌活性的單獨(dú)影響。

圖4、酸化對(duì)細(xì)菌硝化細(xì)菌的響應(yīng)。描述酸化對(duì)參與氨的逐步氧化（NH?→NH?OH→NO→NO??→NO??）、N?O產(chǎn)生、能量生成和細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)的基因表達(dá)影響的示意模型。由虛線表示膜的破裂，因?yàn)閬喯跛猁}氧化作用通常不會(huì)與氨氧化作用發(fā)生在同一有機(jī)體內(nèi)，除了最近發(fā)現(xiàn)的共氨氧化Nitrospira外。相對(duì)基因表達(dá)的變化（FC）通過將酸化樣本與環(huán)境對(duì)照組進(jìn)行比較計(jì)算。羅馬數(shù)字表示呼吸鏈中的酶復(fù)合物I（NADH脫氫酶）、復(fù)合物III（細(xì)胞色素bc1復(fù)合物）、復(fù)合物IV（細(xì)胞色素c氧化酶）和復(fù)合物V（ATP合成酶）。虛線藍(lán)色箭頭表示電子的移動(dòng)。E，未知酶。b.酸化對(duì)通過Calvin循環(huán)和還原三羧酸（rTCA）循環(huán)固定CO?基因表達(dá)的影響。蛋白質(zhì)圖標(biāo)中心的顏色表示基因轉(zhuǎn)錄本編碼這些蛋白的上調(diào)或下調(diào)程度。蛋白質(zhì)圖標(biāo)外圍的顏色與（c）中的條形圖顏色相對(duì)應(yīng)。c.如（a）和（b）所示的蛋白質(zhì)編碼轉(zhuǎn)錄本的FC變化。

圖5、氨氧化古菌（AOA）對(duì)酸化的響應(yīng)。a.描述酸化對(duì)參與NH?氧化、N?O產(chǎn)生、能量生成和AOA的細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)基因表達(dá)的影響的示意模型。相對(duì)基因表達(dá)的變化（FC）通過將酸化樣本與環(huán)境對(duì)照組進(jìn)行比較計(jì)算。羅馬數(shù)字表示呼吸鏈中的酶復(fù)合物I（NADH脫氫酶）、復(fù)合物III（b-pcy）、復(fù)合物IV（pcy-aa3）和復(fù)合物V（ATP合成酶）。虛線藍(lán)色箭頭表示電子的移動(dòng)。b.酸化對(duì)參與3-羥基丙酸/4-羥基丁酸循環(huán)基因表達(dá)的影響。蛋白質(zhì)圖標(biāo)中心的顏色表示基因轉(zhuǎn)錄本編碼這些蛋白的上調(diào)或下調(diào)程度。蛋白質(zhì)圖標(biāo)外圍的顏色與（c）中的條形圖顏色相對(duì)應(yīng)。c.如（a）和（b）所示的蛋白質(zhì)編碼轉(zhuǎn)錄本的FC變化。

結(jié)論與展望

在大氣二氧化碳（CO2）水平不斷上升的背景下，河口和沿海水域的酸化受陸源營養(yǎng)物質(zhì)輸入、沿海上升流和復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程的嚴(yán)重加劇。因此深入了解硝化菌在酸化加劇情況下的反應(yīng)，對(duì)于預(yù)測(cè)河口和沿海生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)及其對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)至關(guān)重要。本文顯示酸化可以顯著降低硝化速率，但會(huì)刺激在河口和沿海水域產(chǎn)生副產(chǎn)品一氧化二氮（N2O）。通過獨(dú)立調(diào)節(jié)CO2濃度和pH，排除了CO2濃度升高對(duì)硝化菌活性的預(yù)期有益影響（即“CO2施肥效應(yīng)”）。元轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)一步表明，硝化菌可以顯著上調(diào)與細(xì)胞內(nèi)pH穩(wěn)態(tài)相關(guān)的基因表達(dá)，以應(yīng)對(duì)酸化壓力。本研究揭示了酸化對(duì)硝化作用及相關(guān)溫室氣體N2O排放的分子機(jī)制，有助于預(yù)測(cè)氣候變化和人類活動(dòng)下河口和沿海生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)與演變。Unisense微電極在本研究中通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧濃度，確保了實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這不僅有助于維持硝化作用的正常進(jìn)行，還為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析提供了重要的支持。通過準(zhǔn)確的溶解氧測(cè)量，研究人員能夠更可靠地評(píng)估酸化對(duì)硝化作用和N?O排放的影響，從而為理解河口和沿海生態(tài)系統(tǒng)在全球氣候變化和人類活動(dòng)影響下的演變提供了重要的科學(xué)依據(jù)。