High Abundances and Expression Levels of Atypical, Non-Denitrifier N2O Reductases Drive Strong Microbial N2O Consumption Rates in a Minimally Impacted Mangrove Stand  

在受干擾較小的紅樹林中，非典型非反硝化菌N2O還原酶的高豐度和表達水平驅動強烈的微生物N2O消耗速率  

來源：Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 129, e2023JG007805  

《地球物理研究雜志：生物地球科學》第129卷，文章編號e2023JG007805  

 

摘要內容  

 

摘要研究了伯爾慕達紅樹林沉積物中微生物對N2O的消耗能力及其在短期營養富集下的穩定性。發現紅樹林沉積物在自然和適度富營養條件下均為N2O的凈吸收區（-0.22至-0.30 μmol N2O m?2 d?1），表明其N2O消耗能力超過硝化和反硝化產生的潛力。分子數據顯示，紅樹林中非典型反硝化菌的nosZII基因豐度和表達水平顯著高于產生N2O的NESAP（東北亞北極太平洋）大陸邊緣沉積物。NESAP沉積物的N2O凈排放與典型反硝化菌nosZI基因的高表達相關，而紅樹林中nosZII主導的微生物群落作為低氮系統的N2O清除者發揮關鍵作用。  

 

研究目的  

 

探究海洋沉積物中微生物群落動態與N2O循環的關系，比較低氮紅樹林與高氮大陸邊緣沉積物的N2O代謝差異，闡明非典型nosZII基因在調控N2O消耗中的作用。  

 

研究思路  

 

選取伯爾慕達紅樹林（低氮環境）和NESAP大陸邊緣（高氮環境）沉積物作為對比模型。  

 

使用丹麥Unisense微電極測量孔隙水N2O和O2的垂直分布（圖2、圖3、圖4），結合PROFILE模型計算N2O通量和產消速率。  

 

 

 

 

通過qPCR定量nosZI和nosZII基因及轉錄本的豐度（圖4、圖5），高通量測序分析微生物群落結構（圖5）。  

 

 

對比兩環境中基因表達、群落組成與N2O通量的關聯。  

測量的數據及研究意義  

 

N2O和O2微剖面數據（圖2、圖3、4）：揭示紅樹林沉積物中N2O濃度隨深度遞減，且所有處理下均表現為凈吸收；NESAP沉積物因高硝酸鹽和低氧條件產生N2O凈排放。  

 

意義：驗證低氮環境中N2O的凈消耗能力，明確產消速率的空間分布，支持微生物代謝驅動的通量差異。  

 

nosZI/nosZII基因豐度和表達數據（圖4、圖5）：紅樹林中nosZII基因占比91.8%，轉錄本占比84.8%；NESAP中nosZI表達更高（40.5%）。  

 

 

意義：揭示非典型nosZII基因在低氮系統中的主導地位及其作為N2O清除者的功能，解釋環境氮水平對微生物代謝途徑的選擇壓力。  

 

微生物群落結構數據（圖5）：紅樹林以Cytophagales、Thiotrichales等菌群為主，與硫循環和有機質降解相關；NESAP以硝化菌（如Nitrosopumilales）和典型反硝化菌為主。  

 

 

意義：關聯群落功能組成與N2O代謝途徑，闡明不同環境下的氮循環策略差異。  

 

結論  

 

低氮紅樹林沉積物是N2O的凈匯，其消耗能力由非典型nosZII基因主導的微生物驅動，且在適度營養富集下保持穩定。  

 

高氮大陸邊緣沉積物（NESAP）中典型nosZI基因的高表達導致N2O凈排放，反硝化是主要來源。  

 

非典型nosZII微生物在低氮系統中作為N2O清除者的生態功能顯著，為保護沿海濕地減緩溫室氣體排放提供依據。  

 

Unisense電極數據的詳細研究意義  

 

使用丹麥Unisense微電極的高分辨率測量（空間分辨率500 μm）實現了以下突破：  

精準定位N2O產消熱點：通過孔隙水剖面（圖2），發現紅樹林沉積物表層0-2 mm存在微弱N2O生產，但整體以深層（>2 mm）的強烈消耗為主，揭示產消過程的垂直分異。  

 

量化通量與模型驗證：結合PROFILE模型，計算N2O通量（圖3）和產消速率，證明紅樹林的凈吸收（-0.22至-0.30 μmol m?2 d?1）與nosZII活性直接相關。  

 

揭示環境調控機制：O2滲透深度（1.2-2.8 mm）與N2O消耗區的重合表明低氧條件促進N2O還原，驗證了氧梯度對微生物代謝的調控作用。  

 

跨系統對比：與NESAP沉積物的對比，突顯氧和氮供給差異對N2O代謝途徑（產/消）的選擇性影響，為全球沉積物N2O模型提供關鍵參數。