華東師范大學(xué)研究團隊首次揭示了氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)多要素驅動(dòng)下河口近岸水體酸化對硝化過(guò)程及其氧化亞氮排放的影響機制，發(fā)現日趨嚴峻的河口近岸水體酸化會(huì )顯著(zhù)抑制氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節-硝化過(guò)程速率，但卻會(huì )促進(jìn)硝化過(guò)程副產(chǎn)物氧化亞氮這一強溫室氣體的排放，從而對當今全球變暖產(chǎn)生正反饋。相關(guān)研究成果《Effects of acidification on nitrification and associated nitrous oxide emission in estuarine and coastal waters》于3月13日發(fā)表于《Nature Communications》，研究可為評價(jià)和預測河口近岸復雜生態(tài)系統對氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應與反饋提供重要科學(xué)支撐。

河口海岸作為陸海交互的多功能關(guān)鍵地帶，其生態(tài)系統健康與人類(lèi)生存和社會(huì )經(jīng)濟的可持續發(fā)展密切相關(guān)。受強烈人類(lèi)活動(dòng)的影響，大量氮營(yíng)養鹽由流域輸入到河口及近岸地區，給河口海岸生態(tài)系統造成了嚴重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如富營(yíng)養化、有害藻華、水體酸化與缺氧等。由此，河口海岸氮的生物地球化學(xué)循環(huán)研究已成為當今國際地學(xué)研究領(lǐng)域內的學(xué)術(shù)前沿。在當今全球氣候變化的背景下，大氣二氧化碳（CO2）濃度的持續升高及其導致的水體酸化潛在且持久地影響著(zhù)河口海岸氮循環(huán)過(guò)程。尤其，受陸源人為氮輸入、復雜生物地球化學(xué)過(guò)程及水動(dòng)力條件的進(jìn)一步影響，河口海岸水體酸化最為快速與嚴峻，已成為國際備受關(guān)注的熱點(diǎn)環(huán)境問(wèn)題。然而，在全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等多重因素的誘導下，河口海岸水體的酸化如何影響氮素生物地球化學(xué)循環(huán)？氮轉化功能微生物會(huì )做出怎樣的響應？氮轉化過(guò)程速率與氧化亞氮溫室氣體的產(chǎn)生與排放會(huì )受到怎樣的影響？進(jìn)而又會(huì )產(chǎn)生怎樣的生物地球化學(xué)效應和氣候反饋？目前，這些核心的科學(xué)問(wèn)題尚不明晰。

團隊基于多學(xué)科交叉的視角與技術(shù)手段，以長(cháng)江口及其近岸水域為典型研究區，系統探究了河口近岸水體酸化對氮循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節硝化過(guò)程的影響及其微生物作用機理。研究發(fā)現水體酸化可顯著(zhù)抑制硝化速率，進(jìn)而可干擾氮循環(huán)過(guò)程。然而，水體酸化顯著(zhù)促進(jìn)了硝化過(guò)程副產(chǎn)物氧化亞氮（百年尺度其增溫效應約是二氧化碳的300倍）的產(chǎn)生與釋放，在pH降低約0.2（為近幾十年來(lái)全球河口海岸平均pH降低水平）的條件下，硝化過(guò)程氧化亞氮的產(chǎn)生被促進(jìn)9.5-27.5%。這表明河口海岸水體酸化可顯著(zhù)抑制氮循環(huán)的重要環(huán)節并會(huì )加劇大氣溫室效應。

水體酸化對硝化速率及硝化過(guò)程氧化亞氮排放的影響

在此基礎上，基于自主構建的穩態(tài)微宇宙模擬系統，定量剝離了河口近岸水體酸化過(guò)程中pH降低及pCO2升高對硝化過(guò)程的影響與分子機制。鑒于化能自養硝化微生物以無(wú)機碳作為碳源，我們提出了pCO2升高可能會(huì )產(chǎn)生CO2施肥（“CO2-Fertilization”）效應的科學(xué)假設。然而研究發(fā)現，pCO2升高對硝化過(guò)程的影響取決于pH，當pH維持在正常水平時(shí)，可觀(guān)察到pCO2升高對硝化速率的預期促進(jìn)效應；但在pH降低的條件下，pCO2的升高會(huì )對硝化微生物造成進(jìn)一步的脅迫而抑制硝化速率。此外，研究發(fā)現pCO2升高和pH降低均會(huì )導致硝化微生物氧化亞氮排放的增加。

研究進(jìn)一步基于宏轉錄組技術(shù)，從基因表達的水平上深入剖析了硝化功能微生物對水體酸化的響應機理，發(fā)現水體酸化會(huì )顯著(zhù)抑制氨單加氧酶基因（amo）、羥胺氧化還原酶基因（hao）、亞硝酸鹽氧化還原酶基因（nxr）等硝化反應關(guān)鍵功能基因的表達，但對氧化亞氮產(chǎn)生相關(guān)功能基因的表達卻呈現出顯著(zhù)的促進(jìn)?；诳缒べ|(zhì)子轉移相關(guān)基因的表達揭示了硝化微生物細胞膜內酸化的證據，發(fā)現硝化微生物會(huì )通過(guò)加速跨膜質(zhì)子轉運來(lái)維持胞內pH平衡以應對水體酸化的脅迫。此外，水體酸化也會(huì )顯著(zhù)影響硝化微生物化能自養固碳、反應基質(zhì)跨膜轉運等代謝過(guò)程，首次揭示了河口近岸復雜環(huán)境中水體酸化對硝化過(guò)程影響的分子機制。

該研究深化了對全球氣候變化背景下河口海岸復雜生態(tài)系統氮的生物地球化學(xué)循環(huán)機理的認識，并對于應對全球變化、推動(dòng)可持續發(fā)展具有重要的意義。研究團隊強調，在當今氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)多重因素共同驅動(dòng)下，河口近岸水體酸化速率遠超過(guò)大洋，會(huì )顯著(zhù)改變河口及近岸區域氮的生物地球化學(xué)循環(huán)，削弱河口海岸生態(tài)系統對人為活性氮污染的去除功能，并會(huì )通過(guò)促進(jìn)氧化亞氮溫室氣體的排放加速全球變暖的進(jìn)程。文章一經(jīng)發(fā)表就得到了廣泛關(guān)注，被Eco-Business雜志以“Carbon-laden estuaries can spew potent climate-heating gas”為題進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)報道https://www.eco-business.com/news/carbon-laden-estuaries-can-spew-potent-climate-heating-gas-study-shows/。

河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室博士研究生周潔、地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室鄭艷玲教授為論文共同第一作者，鄭艷玲教授、侯立軍教授和劉敏教授為論文通訊作者，華東師范大學(xué)為論文第一完成單位，合作單位包括美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀海洋科學(xué)研究所、挪威水研究所。該研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、杰青項目、優(yōu)青項目以及國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目等的資助。