Warming stimulates sediment denitrification at the expense of anaerobic ammonium oxidation  

變暖以厭氧氨氧化為代價刺激沉積物反硝化  

來源：Nature Climate Change, Volume 10, 2020, Pages 349-355

《自然·氣候變化》，第10卷，2020年，第349-355頁

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出溫度是控制沉積物中微生物介導(dǎo)的反硝化（denitrification）和厭氧氨氧化（anammox）的關(guān)鍵環(huán)境變量。反硝化過程會產(chǎn)生溫室氣體N?O，而厭氧氨氧化則不會。研究通過亞熱帶沉積物的溫度梯度實驗發(fā)現(xiàn)：  

1. 變暖直接刺激反硝化相關(guān)的N?O生成，且N?O的溫度敏感性（Q??）略高于反硝化；  

2. 反硝化的最適溫度（T???）高于厭氧氨氧化；  

3. 全球數(shù)據(jù)整合表明反硝化菌更耐熱，而厭氧氨氧化菌偏好低溫；  

4. 低緯度沉積物近期夏季溫度已超過厭氧氨氧化的最適溫度，預(yù)示未來變暖可能抑制厭氧氨氧化，使氮流向反硝化和N?O排放，形成正氣候反饋。  

 

研究目的：  

探究溫度升高對沉積物氮去除路徑（反硝化 vs. 厭氧氨氧化）及其溫室氣體N?O排放的影響，評估未來氣候變暖對氮循環(huán)和氣候反饋的潛在效應(yīng)。  

 

研究思路：  

1. 采集中國亞熱帶地區(qū)6類水生系統(tǒng)沉積物（河口、潮灘、養(yǎng)殖塘、淡水溪流等），分夏冬兩季采樣；  

2. 設(shè)計溫度梯度實驗（1–35℃），通過1?N同位素配對技術(shù)測定反硝化、厭氧氨氧化及N?O生成速率；  

3. 分析溫度敏感性參數(shù)（Q??、T???）和厭氧氨氧化貢獻率（ra%）；  

4. 整合全球溫帶/極地數(shù)據(jù)，對比不同緯度微生物群落的熱適應(yīng)性差異；  

5. 基于氣候模型（RCP 2.6和8.5）預(yù)測未來變暖對氮循環(huán)的影響。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義：  

1. 反硝化、厭氧氨氧化及N?O生成速率隨溫度的變化（圖1）  

   ? 意義：揭示反硝化在35℃內(nèi)持續(xù)上升，厭氧氨氧化在20–30℃達峰值；N?O生成隨溫度指數(shù)增長。證明變暖優(yōu)先刺激反硝化路徑。  

 

2. 厭氧氨氧化貢獻率（ra%）的溫度響應(yīng)（圖2）  

   ? 意義：ra%普遍隨溫度升高而降低（夏季平均7%→冬季5%），表明變暖抑制厭氧氨氧化的相對作用。  

 

3. 溫度敏感性參數(shù)（Q??）（圖3）  

   ? 意義：反硝化相關(guān)N?O生成的Q??（夏季2.9±0.9；冬季3.1±0.6）高于反硝化整體（夏季2.3±0.4；冬季2.9±0.5）和厭氧氨氧化（夏季1.9±0.5；冬季2.4±0.2），說明變暖會加劇N?O排放。  

 

4. 全球反硝化與厭氧氨氧化的最適溫度（T???）對比（圖4）  

   ? 意義：反硝化T???（>25℃）普遍高于厭氧氨氧化，且低緯度沉積物夏季溫度已超過厭氧氨氧化T???，預(yù)示其易受變暖抑制。  

 

結(jié)論：  

1. 反硝化菌比厭氧氨氧化菌更耐熱，導(dǎo)致變暖時沉積物氮去除路徑向反硝化偏移。  

2. 反硝化衍生的N?O生成對溫度更敏感（Q??更高），加劇溫室效應(yīng)。  

3. 低緯度沉積物中，近期夏季溫度已超過厭氧氨氧化T???，未來變暖可能抑制該過程，進一步放大反硝化主導(dǎo)的N?O排放，形成正氣候反饋。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義：   

1. 嚴格控氧：電極實時監(jiān)測培養(yǎng)液DO濃度，確保實驗全程厭氧（DO < 0.1 mg/L），避免氧氣干擾反硝化/厭氧氨氧化的活性，保障速率測量的準確性。  

2. 氧化還原梯度驗證：通過DO和Eh（氧化還原電位）剖面數(shù)據(jù)，確認沉積物-水界面的缺氧狀態(tài)，為氮循環(huán)微生物的代謝活動提供必要的化學(xué)環(huán)境支持。  

3. 方法學(xué)可靠性：Unisense電極的高精度（±1%飽和度）和快速響應(yīng)（< 2秒）是1?N同位素配對技術(shù)的關(guān)鍵輔助手段，確保溫度效應(yīng)歸因于微生物活性而非環(huán)境波動。