研究简介:由于人类活动（如化石燃料燃烧、水泥生产、森林砍伐等），大气中的CO2浓度不断增加，全球平均浓度已达413.2 ppm，预计到21世纪末将超过800 ppm。约40%的工业时代排放的CO2被海洋吸收，导致表层海水pH值下降约0.1个单位，预计到本世纪末pH值将再下降0.2-0.3个单位。本研究主要就河口和沿海水域酸化对硝化作用及其相关一氧化二氮（N₂O）排放的影响进行相关研究。随着大气二氧化碳（CO₂）水平的上升，河口和沿海水域的酸化问题愈发严重，这不仅受到海洋吸收大气CO₂的影响，还与陆源营养输入、沿海上升流和复杂的生物地球化学过程密切相关。因此，深入理解硝化微生物对酸化的响应对于预测河口和沿海生态系统在全球气候变化和人类活动影响下的演变至关重要。研究在长江口及其邻近沿海水域展开，通过现场实验和实验室模拟，探讨了不同酸化水平下硝化速率和N₂O排放的变化。实验结果表明，酸化显著降低了硝化速率，即使在pH值仅下降0.1个单位时，硝化速率也减少了5.8%至18.1%。此外，酸化还显著刺激了N₂O的产生，即使在温和的酸化条件下（pH值下降约0.1个单位），N₂O排放率也增加了8.4%至23.1%。


进一步的实验表明，pH值的降低对硝化速率有显著的负面影响，而CO₂浓度的增加在酸化条件下进一步抑制了硝化速率，并促进了N₂O的排放。转录组分析揭示了硝化微生物在酸化条件下的分子响应机制。酸化显著影响了硝化微生物的生理代谢，涉及氮转化、细胞质pH稳态、能量产生和CO₂固定的基因表达均受到显著调控。例如，氨氧化细菌（AOB）的amoA基因表达在酸化处理下下调了66%，而与N₂O产生相关的nor基因表达则上调，为酸化条件下N₂O排放的增加提供了分子证据。


Unisense微呼吸系统的应用


Unisense氧气微电极被用于测量实验过程中水样中的溶解氧（DO）浓度。在硝化和N₂O排放率的测定实验中，溶解氧浓度是一个关键的环境参数。Unisense微电极通过实时监测DO浓度，确保实验过程中溶解氧始终保持在饱和状态。这对于维持硝化作用的正常进行至关重要，因为硝化细菌需要充足的氧气来完成氨氧化过程。


实验结果


研究结果表明，由于人为活动引起的富营养化和大气CO2浓度升高的协同效应，正在进行的水体酸化可能会破坏氮循环的关键环节，并增加强效温室气体N2O的排放，特别是在河口和沿海水域。与我们的预期相反，在酸化条件下，升高的pCO2并未对化能自养硝化细菌展现“CO2施肥”效应。硝化细菌在转录水平上对酸化的响应显著，并显著上调了与细胞内pH稳态相关的基因表达，以应对酸化压力。这些结果为揭示酸化影响硝化作用和相关N2O排放的机制提供了重要的见解，进一步的酸化可能通过刺激N2O排放改变河口和沿海水域的氮循环，并加速全球变暖。

图1、研究区域和采样地点，叠加在近底水pH值图上。各站点用红色星号标记

图2、模拟水体酸化对长江口及其邻近沿海区域硝化作用和相关N₂O产生速率的响应。硝化速率。数据展示了酸化处理组与环境对照组相比硝化速率的百分比变化。所有线条的P值均小于0.05。b.N₂O产生速率。数据展示了酸化处理组与环境对照组相比N₂O产生速率的百分比变化。所有线条的P值均小于0.05。误差条表示标准差（n=3个生物学独立样本）。ΔpH对应水体酸化前后pH值的变化。拟合曲线是通过多项式拟合方法获得的。

图3、pCO₂增加和pH降低对河口和沿海水域硝化细菌活性的单独影响。

图4、酸化对细菌硝化细菌的响应。描述酸化对参与氨的逐步氧化（NH₃→NH₂OH→NO→NO₂⁻→NO₃⁻）、N₂O产生、能量生成和细胞内pH稳态的基因表达影响的示意模型。由虚线表示膜的破裂，因为亚硝酸盐氧化作用通常不会与氨氧化作用发生在同一有机体内，除了最近发现的共氨氧化Nitrospira外。相对基因表达的变化（FC）通过将酸化样本与环境对照组进行比较计算。罗马数字表示呼吸链中的酶复合物I（NADH脱氢酶）、复合物III（细胞色素bc1复合物）、复合物IV（细胞色素c氧化酶）和复合物V（ATP合成酶）。虚线蓝色箭头表示电子的移动。E，未知酶。b.酸化对通过Calvin循环和还原三羧酸（rTCA）循环固定CO₂基因表达的影响。蛋白质图标中心的颜色表示基因转录本编码这些蛋白的上调或下调程度。蛋白质图标外围的颜色与（c）中的条形图颜色相对应。c.如（a）和（b）所示的蛋白质编码转录本的FC变化。

图5、氨氧化古菌（AOA）对酸化的响应。a.描述酸化对参与NH₃氧化、N₂O产生、能量生成和AOA的细胞内pH稳态基因表达的影响的示意模型。相对基因表达的变化（FC）通过将酸化样本与环境对照组进行比较计算。罗马数字表示呼吸链中的酶复合物I（NADH脱氢酶）、复合物III（b-pcy）、复合物IV（pcy-aa3）和复合物V（ATP合成酶）。虚线蓝色箭头表示电子的移动。b.酸化对参与3-羟基丙酸/4-羟基丁酸循环基因表达的影响。蛋白质图标中心的颜色表示基因转录本编码这些蛋白的上调或下调程度。蛋白质图标外围的颜色与（c）中的条形图颜色相对应。c.如（a）和（b）所示的蛋白质编码转录本的FC变化。


结论与展望


在大气二氧化碳（CO2）水平不断上升的背景下，河口和沿海水域的酸化受陆源营养物质输入、沿海上升流和复杂的生物地球化学过程的严重加剧。因此深入了解硝化菌在酸化加剧情况下的反应，对于预测河口和沿海生态系统的响应及其对全球气候变化的贡献至关重要。本文显示酸化可以显著降低硝化速率，但会刺激在河口和沿海水域产生副产品一氧化二氮（N2O）。通过独立调节CO2浓度和pH，排除了CO2浓度升高对硝化菌活性的预期有益影响（即“CO2施肥效应”）。元转录组数据进一步表明，硝化菌可以显著上调与细胞内pH稳态相关的基因表达，以应对酸化压力。本研究揭示了酸化对硝化作用及相关温室气体N2O排放的分子机制，有助于预测气候变化和人类活动下河口和沿海生态系统的响应与演变。Unisense微电极在本研究中通过实时监测溶解氧浓度，确保了实验条件的稳定性和准确性。这不仅有助于维持硝化作用的正常进行，还为实验数据的分析提供了重要的支持。通过准确的溶解氧测量，研究人员能够更可靠地评估酸化对硝化作用和N₂O排放的影响，从而为理解河口和沿海生态系统在全球气候变化和人类活动影响下的演变提供了重要的科学依据。