Hotspot of dissimilatory nitrate reduction to ammonium(DNRA) process in freshwater sediments of riparian zones

河岸帶淡水沉積物中異化硝酸鹽還原為銨（DNRA）過程的熱點區域  

來源：Water Research, Volume 173, 2020, Article 115539

《水研究》，2020年 第173卷，文章編號115539  

 

摘要核心內容

 

研究通過全球尺度和時間尺度調查，結合分子生物學（nrfA基因定量）和同位素示蹤技術（1?N標記），首次系統證實河岸帶沉積物是淡水生態系統中DNRA過程的熱點區域。核心發現：  

1. DNRA豐度與速率顯著高于開闊水域：河岸帶DNRA細菌豐度（平均4.19×10? copies g?1）和速率（28.0±10.4 nmol N g?1 h?1）分別是開闊水域沉積物的3.3倍和1.9倍（圖1b）。  

 

2. 環境因子主導驅動機制：DNRA速率與總有機質（TOM）和碳氮比（TC/NO??）顯著正相關（r=0.818, p<0.001），但與優勢菌屬（如Anaeromyxobacter）無直接關聯（圖3c）。  

 

3. 氮循環耦合效應：河岸帶低溶解氧環境（0.20±0.05 mg L?1）促進DNRA，同時提升亞硝酸鹽氧化（39.80±4.70 mmol N g?1 h?1）和硝酸鹽還原（40.91±4.86 mmol N g?1 h?1）速率，形成氮循環強化網絡（圖5）。  

 

研究目的

 

1. 驗證河岸帶作為DNRA熱點的假說；  

2. 揭示DNRA過程的環境與微生物驅動機制；  

3. 評估DNRA對淡水生態系統氮滯留與富營養化的影響。  

 

研究思路

 

1. 全球尺度驗證：采集6大洲15個濕地30個沉積物樣本（河岸帶與開闊水域對比），通過qPCR和高通量測序分析nrfA基因豐度與群落結構（圖1a）。  

2. 時間尺度深化：以白洋淀為典型區域，季節性監測（冬/夏）河岸帶環境參數、DNRA速率及關聯氮循環過程（1?N同位素配對技術）（圖2a）。  

 

3. 機制解析：結合RDA分析、共現網絡（圖4）和速率關聯模型，闡明環境因子（TOM、C/N）與微生物群落的交互作用。  

 

 

測量數據及研究意義

 

1. 環境參數（圖2）  

   ? 數據：河岸帶TOM（20.98±2.42 mg kg?1）顯著高于開闊水域，DO（0.20±0.05 mg L?1）顯著低于開闊水域。  

 

   ? 意義：證實低氧、高有機質環境是DNRA活躍的物理化學基礎。  

 

2. 微生物豐度與速率（圖1b, 圖2b）  

   ? 數據：河岸帶DNRA速率（35.28±5.56 nmol N g?1 h?1）為開闊水域的2倍，夏季速率高于冬季。  

 

   ? 意義：量化DNRA空間分異，為氮循環模型提供關鍵參數。  

 

3. 群落結構與網絡（圖3, 圖4）  

   ? 數據：優勢菌屬Anaeromyxobacter（35.11%）與DNRA速率無顯著相關；共現網絡顯示河岸帶關鍵連接菌為Caldimicrobium和Lacunisphaera。  

 

   ? 意義：揭示環境篩選（非群落組成）主導DNRA功能，挑戰“關鍵菌驅動”傳統認知。  

 

4. 氮循環關聯過程（圖5）  

   ? 數據：河岸帶亞硝酸鹽氧化（39.80±4.70 mmol N g?1 h?1）和硝酸鹽還原（40.91±4.86 mmol N g?1 h?1）速率均高于開闊水域。  

 

   ? 意義：闡明DNRA與硝化/反硝化過程的協同強化機制。  

 

結論

 

1. 河岸帶為DNRA熱點：全球尺度驗證河岸帶DNRA豐度與速率顯著高于開闊水域沉積物（p<0.01）。  

2. 環境因子主導：TOM和C/N比是DNRA速率的關鍵驅動因素，微生物群落結構差異影響較弱。  

3. 生態管理啟示：DNRA促進銨滯留可能加劇水體富營養化，需在河岸帶修復中調控水位波動以抑制還原性氮積累。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

研究使用丹麥Unisense OXY Meter（S/N 4164）原位測定沉積物表層（約2 mm）溶解氧（DO），其核心意義在于：  

1. 高分辨率氧梯度捕捉：電極的微尺度測量（毫米級）精準揭示河岸帶沉積物-水界面（SWI）的缺氧狀態（DO=0.20±0.05 mg L?1），為DNRA的厭氧代謝提供直接證據（圖2關聯分析）。  

2. 驅動機制驗證：低DO數據與高DNRA速率的顯著相關性（r= -0.432, p=0.017）證實缺氧環境促進硝酸鹽還原至銨的生化路徑，排除好氧過程競爭。  

3. 管理應用支撐：原位DO數據量化人為活動（如水位調控）對河岸帶氧化還原狀態的擾動，為富營養化治理提供調控靶點（如維持較高水位增加氧滲透）。