N2O production by mussels: Quantifying rates and pathways in current and future climate settings  

貽貝產生的一氧化二氮：在當前和未來氣候條件下的速率與路徑量化  

來源：Frontiers in Marine Science, Volume 10, 2023, Article 1101469  

《海洋科學前沿》第10卷，2023年，文章編號1101469  

 

摘要內容

 

研究量化了藍貽貝（Mytilus edulis）及其殼生物膜在氮循環中產生溫室氣體一氧化二氮（N?O）的速率和路徑，并評估了未來氣候（升溫+3°C、酸化-0.3 pH）的影響。關鍵發現：  

N?O產生機制：貽貝通過三種路徑產生N?O——硝化作用（銨為前體）、硝化菌反硝化（亞硝酸鹽為前體）和耦合硝化-反硝化（硝酸鹽為前體），其中硝化菌反硝化是主要路徑（貢獻46-59%，表7）。

 

 

殼生物膜作用：在常溫常pH（CTRL）下，殼生物膜貢獻總N?O產量的65-75%（圖2）。  

 

 

氣候影響：  

 

升溫（OW）：N?O產量增加（如CTRL的4.55升至OW的15.84 nmol ind?1 h?1），生物膜貢獻穩定（68%）。  

 

酸化（OA）：N?O產量穩定，但生物膜貢獻從63%降至23%（圖2）。  

 

復合氣候（CC）：升溫與酸化效應拮抗，凈N?O產量變化不顯著。  

生態意義：貽貝高密度區（如海上風電場）可能成為局部N?O熱點，但N?O產量遠低于其他氮形態（NH??、NO??、NO??），暗示大量氮以N?形式釋放。  

 

研究目的

量化貽貝及其殼生物膜的N?O產生速率。  

 

解析N?O產生的化學路徑（硝化、反硝化等）。  

 

評估升溫和酸化對N?O產生路徑及生物膜貢獻的影響。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

對象：藍貽貝（北海養殖場采集）。  

 

處理：4種氣候情景——對照（CTRL: 20°C, pH 7.96）、升溫（OW: +3°C）、酸化（OA: -0.3 pH）、復合（CC: +3°C & -0.3 pH），持續6周。  

 

方法：  

 

實驗1：對比全貽貝（WHOLE）與離體殼（SHELL）的N?O產量，量化生物膜貢獻（圖2）。  

 

實驗2：添加NaClO?抑制劑阻斷耦合硝化-反硝化（CND），分析路徑依賴（圖3）。  

 

 

實驗3：1?N同位素示蹤（NH??、NO??、NO??），精準量化各路徑貢獻（圖4，表7）。  

 

氧微剖面：用Unisense電極測量殼生物膜氧分布（圖5）。  

 

測量數據、來源及研究意義

N?O產生速率（圖2；圖3；表7）：  

 

數據：CTRL下全貽貝產量4.55 nmol ind?1 h?1；升溫（OW）使產量升至15.84 nmol ind?1 h?1；酸化（OA）下生物膜貢獻從63%降至23%。  

 

意義：證實貽貝是局部N?O源，升溫顯著增強產量，酸化削弱生物膜作用。  

N?O產生路徑（圖3；圖4；表7）：  

 

數據：硝化菌反硝化（DNO2）是主路徑（??N?O產量達2.08 nmol g?1 DW h?1）；NaClO?抑制使N?O產量增4-16倍（圖3）。  

 

意義：揭示亞硝酸鹽反硝化是核心機制，抑制劑實驗驗證CND路徑可被調控。  

營養鹽通量（圖3）：  

 

數據：銨通量受pH和溫度拮抗影響；硝酸鹽通量負值（消耗），酸化加劇消耗。  

 

意義：反映貽貝通過排泄和生物膜活動驅動氮循環，酸化促進硝酸鹽移除。  

氧微剖面（圖5）：  

 

數據：酸化（OA/CC）使生物膜氧消耗降低，生物膜厚度減少（0-600 μm氧濃度變化占差異90%）。  

 

意義：直接證明酸化削弱生物膜代謝活性，解釋其N?O貢獻下降。  

 

結論

路徑主導：硝化菌反硝化是貽貝N?O主要產生路徑（占46-59%），銨和硝酸鹽路徑貢獻較小。  

 

氣候效應：  

 

升溫增加N?O產量，但酸化降低生物膜活性和貢獻，二者拮抗導致未來氣候下凈效應不顯著。  

 

酸化使生物膜變薄、氧消耗減少（圖5），抑制其脫氮功能。  

生態啟示：  

 

貽貝高密度區（如風電場）可能成為局部N?O熱點，但N?O產量遠低于其他氮形態，暗示大量氮以N?形式釋放，可能緩解富營養化。  

 

未來海上風電場與貽貝養殖共存需關注氮循環變化。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

實驗中采用Unisense微剖面系統（型號未指定）測量貽貝殼生物膜的溶解氧垂直分布：  

高分辨率代謝監測：  

 

以50-100 μm間隔測量殼表面0-3000 μm的氧濃度，揭示生物膜內部氧化梯度（圖5）。  

 

定義生物膜"厚度"（氧耗盡層）和"代謝強度"（氧消耗斜率），量化微生物活性。  

揭示酸化對生物膜的損傷機制：  

 

酸化（OA/CC）下，氧消耗層厚度減少且消耗強度降低（圖5），表明生物膜結構退化或微生物群落紊亂。  

 

直接關聯生物膜物理變化與N?O產量下降：變薄的生物膜減少缺氧微環境，抑制反硝化路徑。  

技術優勢：  

 

原位無損：活體貽貝上直接測量，避免生物膜破壞。  

 

空間精度：微米級分辨率捕捉生物膜異質性，識別關鍵代謝區域（0-600 μm）。  

 

研究意義：Unisense數據首次將殼生物膜的物理結構變化（酸化致變薄）與功能衰退（N?O產量降低）定量關聯，為氣候影響的機制提供直接證據。