海洋所在甄別泥/沙質(zhì)沉積物有機(jī)質(zhì)對(duì)東海陸架氮去除影響機(jī)制上取得新認(rèn)識(shí)
日前,環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)TOP期刊Science of The Total Environment(IF=10.753)刊登了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所宋金明團(tuán)隊(duì)的最新研究成果“Nitrogen loss from the coastal shelf of the East China Sea: Implications of the organic matter”。該研究揭示了有機(jī)質(zhì)對(duì)東海陸架海域的泥質(zhì)、沙質(zhì)沉積物氮去除速率的影響,取得了對(duì)沉積物氮去除途徑和機(jī)制的新認(rèn)識(shí)。
盡管氮是海洋初級(jí)生產(chǎn)的主要貢獻(xiàn)者,但人為干擾的增強(qiáng)導(dǎo)致河口及其鄰近海域積累了大量的活性氮,過(guò)量的氮負(fù)荷改變了沿海生態(tài)系統(tǒng)中的氮收支與氮循環(huán)平衡,由此產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。因此,近海生態(tài)系統(tǒng)氮的去除途徑及其環(huán)境影響因素研究備受關(guān)注。反硝化和厭氧氨氧化作為海洋生態(tài)系統(tǒng)氮去除的主要過(guò)程,可以通過(guò)將活性氮從水生生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到大氣中來(lái)減低氮的積累,海洋生態(tài)系統(tǒng)中氮去除的途徑和速率受微生物和環(huán)境因素的控制,尤其是非生物因素有機(jī)質(zhì)含量對(duì)此有重要影響。
過(guò)去東海沉積物反硝化和厭氧氨氧化的研究主要集中于泥質(zhì)沉積物,而對(duì)粗粒沉積物且結(jié)合微生物豐度和梯烷脂的報(bào)道很少。然而,由于陸架海域中沙質(zhì)沉積物的比例很高,它們對(duì)海洋氮去除的貢獻(xiàn)不容忽視。因此,開展泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物中反硝化和厭氧氨氧化研究,可以有效揭示控制近海氮去除的關(guān)鍵環(huán)境因素及其影響機(jī)制,為探明水體氮污染機(jī)制和維持近海生態(tài)環(huán)境健康提供理論支持和科學(xué)支撐。
宋金明研究團(tuán)隊(duì)聚焦東海陸架海域表層泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物的特性差異和微生物氮轉(zhuǎn)化過(guò)程比較研究,探析了氮去除與有機(jī)質(zhì)在分子水平上的相互作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)富含有機(jī)質(zhì)的泥質(zhì)沉積物相對(duì)于沙質(zhì)沉積物有更高的氮去除量。在泥質(zhì)沉積物中,厭氧氨氧化的特異性生物標(biāo)志物梯烷脂顯著高于沙質(zhì)沉積物。同時(shí),TOC含量的增加促進(jìn)了厭氧氨氧化功能基因hzsB和反硝化功能基因nosZ的絕對(duì)豐度。發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化速率和反硝化速率呈正相關(guān),表明反硝化和厭氧氨氧化之間存在耦合關(guān)系。高含量的有機(jī)質(zhì)可使反硝化過(guò)程產(chǎn)生更多的NO2–,并促進(jìn)厭氧氨氧化的進(jìn)程。該研究首次將生物標(biāo)志物梯烷脂與微生物功能基因結(jié)合來(lái)闡明泥質(zhì)和沙質(zhì)沉積物的氮去除率,為更有效理解和預(yù)測(cè)近海生態(tài)系統(tǒng)中沉積物的氮循環(huán)提供了不可多得的手段。

圖1有機(jī)質(zhì)對(duì)東海陸架氮去除的影響機(jī)制

圖2東海陸架泥質(zhì)/沙質(zhì)沉積物反硝化(nirS、nirK和nosZ)和厭氧氨氧化(hzsB、hzo、hdh和AMX)基因豐度的空間分布與對(duì)比

圖3東海陸架海域表層沉積物環(huán)境因素(TN、TOC、C/N、δ13C、ΣLadderane和平均粒度)與反硝化(nirS、nirK和nosZ)和厭氧氨氧化(AMX、hzsB、hzo和hdh)基因豐度的皮爾遜相關(guān)分析
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所博士研究生來(lái)曉雙為論文第一作者,宋金明研究員和李學(xué)剛研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室“十四五”重大項(xiàng)目,中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng),國(guó)家自然科學(xué)基金以及山東省自然科學(xué)基金的資助。
論文信息:Lai, X.S., Li, X.G*., Song, J.M*., Yuan, H.M., Duan, L.Q., Li, N., Wang, Y.X., 2023. Nitrogen Loss from the Coastal Shelf of the East China Sea: Implications of the Organic Matter. Sci. Total Environ. 854, 158805.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158805
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