華東師范大學研究團隊首次揭示了氣候變化與人類活動多要素驅動下河口近岸水體酸化對硝化過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顯著抑制氮循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)-硝化過程速率，但卻會促進硝化過程副產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生正反饋。相關研究成果《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》，研究可為評價和預測河口近岸復雜生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化和人類活動的響應與反饋提供重要科學支撐。

河口海岸作為陸海交互的多功能關鍵地帶，其生態(tài)系統(tǒng)健康與人類生存和社會經濟的可持續(xù)發(fā)展密切相關。受強烈人類活動的影響，大量氮營養(yǎng)鹽由流域輸入到河口及近岸地區(qū)，給河口海岸生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，如富營養(yǎng)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循環(huán)研究已成為當今國際地學研究領域內的學術前沿。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(xù)升高及其導致的水體酸化潛在且持久地影響著河口海岸氮循環(huán)過程。尤其，受陸源人為氮輸入、復雜生物地球化學過程及水動力條件的進一步影響，河口海岸水體酸化最為快速與嚴峻，已成為國際備受關注的熱點環(huán)境問題。然而，在全球氣候變化和人類活動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循環(huán)？氮轉化功能微生物會做出怎樣的響應？氮轉化過程速率與氧化亞氮溫室氣體的產生與排放會受到怎樣的影響？進而又會產生怎樣的生物地球化學效應和氣候反饋？目前，這些核心的科學問題尚不明晰。

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

水體酸化對硝化速率及硝化過程氧化亞氮排放的影響

在此基礎上，基于自主構建的穩(wěn)態(tài)微宇宙模擬系統(tǒng)，定量剝離了河口近岸水體酸化過程中pH降低及pCO2升高對硝化過程的影響與分子機制。鑒于化能自養(yǎng)硝化微生物以無機碳作為碳源，我們提出了pCO2升高可能會產生CO2施肥（“CO2-Fertilization”）效應的科學假設。然而研究發(fā)現，pCO2升高對硝化過程的影響取決于pH，當pH維持在正常水平時，可觀察到pCO2升高對硝化速率的預期促進效應；但在pH降低的條件下，pCO2的升高會對硝化微生物造成進一步的脅迫而抑制硝化速率。此外，研究發(fā)現pCO2升高和pH降低均會導致硝化微生物氧化亞氮排放的增加。

研究進一步基于宏轉錄組技術，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)現水體酸化會顯著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）等硝化反應關鍵功能基因的表達，但對氧化亞氮產生相關功能基因的表達卻呈現出顯著的促進?；诳缒べ|子轉移相關基因的表達揭示了硝化微生物細胞膜內酸化的證據，發(fā)現硝化微生物會通過加速跨膜質子轉運來維持胞內pH平衡以應對水體酸化的脅迫。此外，水體酸化也會顯著影響硝化微生物化能自養(yǎng)固碳、反應基質跨膜轉運等代謝過程，首次揭示了河口近岸復雜環(huán)境中水體酸化對硝化過程影響的分子機制。

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(tǒng)氮的生物地球化學循環(huán)機理的認識，并對于應對全球變化、推動可持續(xù)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活動多重因素共同驅動下，河口近岸水體酸化速率遠超過大洋，會顯著改變河口及近岸區(qū)域氮的生物地球化學循環(huán)，削弱河口海岸生態(tài)系統(tǒng)對人為活性氮污染的去除功能，并會通過促進氧化亞氮溫室氣體的排放加速全球變暖的進程。文章一經發(fā)表就得到了廣泛關注，被Eco-Business雜志以“Carbon-laden estuaries can spew potent climate-heating gas”為題進行了專門報道https://www.eco-business.com/news/carbon-laden-estuaries-can-spew-potent-climate-heating-gas-study-shows/。

河口海岸學國家重點實驗室博士研究生周潔、地理信息科學教育部重點實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，華東師范大學為論文第一完成單位，合作單位包括美國德克薩斯大學奧斯汀海洋科學研究所、挪威水研究所。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、杰青項目、優(yōu)青項目以及國家重點研發(fā)計劃項目等的資助。