Coupled methane and nitrous oxide biotransformation in freshwater wetland sediment microcosms

淡水濕地沉積物微生態系統中甲烷和氧化亞氮的耦合生物轉化

來源：Science of the Total Environment 648 (2019) 916–922

 

論文摘要

本研究首次在淡水濕地沉積物中證實了甲烷（CH?）與氧化亞氮（N?O）的耦合生物轉化過程。通過7天的厭氧培養實驗發現，N?O的添加顯著刺激了沉積物中的微生物活動，導致CH?排放減少和CO?積累。這一過程通過兩種機制實現：N?O對產甲烷作用的抑制和N?O依賴的厭氧甲烷氧化（AOM）。13C穩定同位素示蹤實驗測定N?O依賴的AOM速率為3.41 ± 0.13 nmol CO? g?1干沉積物·天?1。宏基因組分析表明，N?O添加提高了甲烷氧化菌的活性和豐度，并增強了電子傳遞鏈中的酶活性。研究表明，該過程由未鑒定的甲烷氧化菌通過N?O產生的“內部氧氣”完成，對減少兩種強效溫室氣體排放和鏈接全球碳氮循環具有重要意義。

研究目的

本研究旨在：

 

探究N?O是否影響濕地沉積物中CH?的排放，這是一個此前被忽視的過程。

驗證在淡水厭氧環境中，CH?的氧化是否能夠與N?O的還原相耦合，即是否存在N?O依賴的AOM。

 

闡明N?O依賴的AOM過程的微生物機制，包括鑒定相關的功能微生物群落及其代謝途徑。

 

研究思路

研究采用了“多尺度驗證”的思路，逐步從現象觀測深入到機制闡釋：

 

初步培養實驗：設置對照（無N?O）、實驗（添加N?O）和滅菌組，在7天的厭氧培養中監測頂空CH?、N?O和CO?濃度的變化，初步觀察N?O對CH?轉化的影響。

穩定同位素示蹤：在長期（30天）預培養建立穩定微生物群落后，使用13CH?進行48小時的示蹤實驗，通過檢測13CO?的產生來直接證實N?O依賴的AOM的存在并量化其速率。

分子生物學分析：

 

qPCR：定量分析總細菌（16S rRNA）、N?O還原酶（nosZ）和甲烷單加氧酶（pmoA）基因的表達活性，從功能基因層面驗證微生物對N?O和CH?的響應。

 

宏基因組測序：比較不同處理組（只加CH?、只加N?O、同時加CH?和N?O）的微生物群落結構和功能基因（KEGG注釋）差異，從群落和代謝通路水平揭示潛在機制。

 

測量數據及其研究意義（注明來源）

研究測量了多方面的數據，其意義和來源如下：

 

頂空氣體濃度（CH?, N?O, CO?）：

 

意義：直接證明了N?O添加導致CH?消耗和CO?積累的現象，是發現耦合過程的起點。

 

來源：數據見圖1。

 

13CO?產量：

 

意義：提供了N?O依賴的AOM發生的直接證據。同時添加13CH?和N?O的處理組產生的13CO?顯著高于只添加13CH?的組，證實了CH?碳源被氧化為CO?，且該過程依賴N?O。

 

來源：數據見圖2。

 

功能基因表達（qPCR）：

 

意義：從微生物活性角度解釋現象。同時添加CH?和N?O的處理組，其總細菌（16S rRNA）和甲烷氧化菌（pmoA）的活性均最高，表明N?O刺激了整體微生物活動和特異性的甲烷氧化功能。

 

來源：數據見圖3a。

 

微生物群落組成（屬水平）：

 

意義：表明N?O的添加改變了微生物群落結構，雖然主要甲烷氧化菌屬未發生顯著變化，但某些菌屬（如Thiobacillus）的豐度變化暗示了可能的耦合過程參與者。

 

來源：數據見圖3b。

 

液相N?O濃度：

 

意義：解釋了頂空N?O濃度極低的原因——N?O快速溶解并消耗于液相中，證明了其作為反應物的有效性。

 

來源：數據見附圖S1；使用丹麥Unisense微傳感器測量。

 

研究結論

 

首次證實耦合過程：首次在淡水濕地沉積物中證實了CH?和N?O的耦合生物轉化，該過程由未鑒定的甲烷氧化菌完成。

雙機制驅動：耦合轉化通過兩種機制實現：(i) N?O抑制產甲烷菌活性，減少CH?生成；(ii) N?O依賴的AOM，將CH?氧化為CO?。

內部產氧途徑：N?O依賴的AOM很可能遵循“內部氧氣”途徑，即微生物通過還原N?O產生細胞內O?，進而用于需氧的甲烷氧化反應。

微生物激活：N?O添加激活了甲烷氧化菌并增強了其電子傳遞鏈的活性，從而促進了AOM過程。

 

全球意義：這一發現揭示了濕地等厭氧環境中存在一條新的、 previously overlooked 的溫室氣體匯，對于準確評估全球碳氮循環和溫室氣體預算具有重要意義。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本文中，丹麥Unisense公司的N?O微傳感器被用于測量沉積物培養體系液相中的N?O濃度（數據在附圖S1中展示）。

詳細研究意義如下：

 

揭示N?O的動態消耗是反應發生的前提：頂空氣體監測顯示N?O濃度極低，容易被誤解為N?O未參與反應。Unisense微傳感器提供的液相N?O濃度數據表明，N?O被迅速溶解到液相中（濃度高達290 μmol/L），并隨后被持續消耗。這確鑿地證明了N?O是作為一種有效的反應物被微生物利用，而非惰性氣體，為整個“N?O依賴的AOM”假說提供了至關重要的支撐。

闡明反應發生的微環境：Unisense微傳感器能夠進行原位、高分辨率的測量，避免了采樣帶來的擾動和氣體逸散。其數據顯示液相中存在顯著且持續下降的N?O濃度梯度，這證明了反應主要發生在沉積物顆粒與水的界面或沉積物內部的微環境中，為理解反應的空間位置和動力學提供了關鍵信息。

 

連接氣液兩相，完整刻畫反應過程：研究通過結合頂空氣相色譜（監測CH?和CO?）和Unisense液相微傳感器（監測N?O），構建了氣-液兩相中所有關鍵氣體反應物和產物的完整動態圖譜。這使得研究者能夠清晰地描繪出“N?O從頂空溶解到液相并被消耗，同時CH?被氧化產生CO?”的整個耦合過程，極大地增強了研究結果的可靠性和說服力。

 

綜上所述，使用Unisense微傳感器獲得的液相N?O濃度實時數據，為本研究論證N?O作為電子受體參與AOM這一開創性發現提供了不可或缺的、直接的證據。它解決了頂空監測的局限性，確鑿地證明了N?O的消耗，從而將整個研究從現象觀察層面提升到了機理驗證的高度。