華東師范大學(xué)研究團隊首次揭示了氣候變化與人類活動多要素驅(qū)動下河口近岸水體酸化對硝化過程及其氧化亞氮排放的影響機制，發(fā)現(xiàn)日趨嚴峻的河口近岸水體酸化會顯著抑制氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)-硝化過程速率，但卻會促進硝化過程副產(chǎn)物氧化亞氮這一強溫室氣體的排放，從而對當(dāng)今全球變暖產(chǎn)生正反饋。相關(guān)研究成果《Effects of acidification on nitrification and associated nitrous oxide emission in estuarine and coastal waters》于3月13日發(fā)表于《Nature Communications》，研究可為評價和預(yù)測河口近岸復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化和人類活動的響應(yīng)與反饋提供重要科學(xué)支撐。

河口海岸作為陸海交互的多功能關(guān)鍵地帶，其生態(tài)系統(tǒng)健康與人類生存和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)。受強烈人類活動的影響，大量氮營養(yǎng)鹽由流域輸入到河口及近岸地區(qū)，給河口海岸生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，如富營養(yǎng)化、有害藻華、水體酸化與缺氧等。由此，河口海岸氮的生物地球化學(xué)循環(huán)研究已成為當(dāng)今國際地學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)前沿。在當(dāng)今全球氣候變化的背景下，大氣二氧化碳（CO2）濃度的持續(xù)升高及其導(dǎo)致的水體酸化潛在且持久地影響著河口海岸氮循環(huán)過程。尤其，受陸源人為氮輸入、復(fù)雜生物地球化學(xué)過程及水動力條件的進一步影響，河口海岸水體酸化最為快速與嚴峻，已成為國際備受關(guān)注的熱點環(huán)境問題。然而，在全球氣候變化和人類活動等多重因素的誘導(dǎo)下，河口海岸水體的酸化如何影響氮素生物地球化學(xué)循環(huán)？氮轉(zhuǎn)化功能微生物會做出怎樣的響應(yīng)？氮轉(zhuǎn)化過程速率與氧化亞氮溫室氣體的產(chǎn)生與排放會受到怎樣的影響？進而又會產(chǎn)生怎樣的生物地球化學(xué)效應(yīng)和氣候反饋？目前，這些核心的科學(xué)問題尚不明晰。

團隊基于多學(xué)科交叉的視角與技術(shù)手段，以長江口及其近岸水域為典型研究區(qū)，系統(tǒng)探究了河口近岸水體酸化對氮循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)硝化過程的影響及其微生物作用機理。研究發(fā)現(xiàn)水體酸化可顯著抑制硝化速率，進而可干擾氮循環(huán)過程。然而，水體酸化顯著促進了硝化過程副產(chǎn)物氧化亞氮（百年尺度其增溫效應(yīng)約是二氧化碳的300倍）的產(chǎn)生與釋放，在pH降低約0.2（為近幾十年來全球河口海岸平均pH降低水平）的條件下，硝化過程氧化亞氮的產(chǎn)生被促進9.5-27.5%。這表明河口海岸水體酸化可顯著抑制氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)并會加劇大氣溫室效應(yīng)。

水體酸化對硝化速率及硝化過程氧化亞氮排放的影響

在此基礎(chǔ)上，基于自主構(gòu)建的穩(wěn)態(tài)微宇宙模擬系統(tǒng)，定量剝離了河口近岸水體酸化過程中pH降低及pCO2升高對硝化過程的影響與分子機制。鑒于化能自養(yǎng)硝化微生物以無機碳作為碳源，我們提出了pCO2升高可能會產(chǎn)生CO2施肥（“CO2-Fertilization”）效應(yīng)的科學(xué)假設(shè)。然而研究發(fā)現(xiàn)，pCO2升高對硝化過程的影響取決于pH，當(dāng)pH維持在正常水平時，可觀察到pCO2升高對硝化速率的預(yù)期促進效應(yīng)；但在pH降低的條件下，pCO2的升高會對硝化微生物造成進一步的脅迫而抑制硝化速率。此外，研究發(fā)現(xiàn)pCO2升高和pH降低均會導(dǎo)致硝化微生物氧化亞氮排放的增加。

研究進一步基于宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，從基因表達的水平上深入剖析了硝化功能微生物對水體酸化的響應(yīng)機理，發(fā)現(xiàn)水體酸化會顯著抑制氨單加氧酶基因（amo）、羥胺氧化還原酶基因（hao）、亞硝酸鹽氧化還原酶基因（nxr）等硝化反應(yīng)關(guān)鍵功能基因的表達，但對氧化亞氮產(chǎn)生相關(guān)功能基因的表達卻呈現(xiàn)出顯著的促進。基于跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)移相關(guān)基因的表達揭示了硝化微生物細胞膜內(nèi)酸化的證據(jù)，發(fā)現(xiàn)硝化微生物會通過加速跨膜質(zhì)子轉(zhuǎn)運來維持胞內(nèi)pH平衡以應(yīng)對水體酸化的脅迫。此外，水體酸化也會顯著影響硝化微生物化能自養(yǎng)固碳、反應(yīng)基質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運等代謝過程，首次揭示了河口近岸復(fù)雜環(huán)境中水體酸化對硝化過程影響的分子機制。

該研究深化了對全球氣候變化背景下河口海岸復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)氮的生物地球化學(xué)循環(huán)機理的認識，并對于應(yīng)對全球變化、推動可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。研究團隊強調(diào)，在當(dāng)今氣候變化和人類活動多重因素共同驅(qū)動下，河口近岸水體酸化速率遠超過大洋，會顯著改變河口及近岸區(qū)域氮的生物地球化學(xué)循環(huán)，削弱河口海岸生態(tài)系統(tǒng)對人為活性氮污染的去除功能，并會通過促進氧化亞氮溫室氣體的排放加速全球變暖的進程。文章一經(jīng)發(fā)表就得到了廣泛關(guān)注，被Eco-Business雜志以“Carbon-laden estuaries can spew potent climate-heating gas”為題進行了專門報道https://www.eco-business.com/news/carbon-laden-estuaries-can-spew-potent-climate-heating-gas-study-shows/。

河口海岸學(xué)國家重點實驗室博士研究生周潔、地理信息科學(xué)教育部重點實驗室鄭艷玲教授為論文共同第一作者，鄭艷玲教授、侯立軍教授和劉敏教授為論文通訊作者，華東師范大學(xué)為論文第一完成單位，合作單位包括美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀海洋科學(xué)研究所、挪威水研究所。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、杰青項目、優(yōu)青項目以及國家重點研發(fā)計劃項目等的資助。