研究簡介:由于人類活動（如化石燃料燃燒、水泥生產、森林砍伐等），大氣中的CO2濃度不斷增加，全球平均濃度已達413.2 ppm，預計到21世紀末將超過800 ppm。約40%的工業時代排放的CO2被海洋吸收，導致表層海水pH值下降約0.1個單位，預計到本世紀末pH值將再下降0.2-0.3個單位。本研究主要就河口和沿海水域酸化對硝化作用及其相關一氧化二氮（N?O）排放的影響進行相關研究。隨著大氣二氧化碳（CO?）水平的上升，河口和沿海水域的酸化問題愈發嚴重，這不僅受到海洋吸收大氣CO?的影響，還與陸源營養輸入、沿海上升流和復雜的生物地球化學過程密切相關。因此，深入理解硝化微生物對酸化的響應對于預測河口和沿海生態系統在全球氣候變化和人類活動影響下的演變至關重要。研究在長江口及其鄰近沿海水域展開，通過現場實驗和實驗室模擬，探討了不同酸化水平下硝化速率和N?O排放的變化。實驗結果表明，酸化顯著降低了硝化速率，即使在pH值僅下降0.1個單位時，硝化速率也減少了5.8%至18.1%。此外，酸化還顯著刺激了N?O的產生，即使在溫和的酸化條件下（pH值下降約0.1個單位），N?O排放率也增加了8.4%至23.1%。

進一步的實驗表明，pH值的降低對硝化速率有顯著的負面影響，而CO?濃度的增加在酸化條件下進一步抑制了硝化速率，并促進了N?O的排放。轉錄組分析揭示了硝化微生物在酸化條件下的分子響應機制。酸化顯著影響了硝化微生物的生理代謝，涉及氮轉化、細胞質pH穩態、能量產生和CO?固定的基因表達均受到顯著調控。例如，氨氧化細菌（AOB）的amoA基因表達在酸化處理下下調了66%，而與N?O產生相關的nor基因表達則上調，為酸化條件下N?O排放的增加提供了分子證據。

Unisense微呼吸系統的應用

Unisense氧氣微電極被用于測量實驗過程中水樣中的溶解氧（DO）濃度。在硝化和N?O排放率的測定實驗中，溶解氧濃度是一個關鍵的環境參數。Unisense微電極通過實時監測DO濃度，確保實驗過程中溶解氧始終保持在飽和狀態。這對于維持硝化作用的正常進行至關重要，因為硝化細菌需要充足的氧氣來完成氨氧化過程。

實驗結果

研究結果表明，由于人為活動引起的富營養化和大氣CO2濃度升高的協同效應，正在進行的水體酸化可能會破壞氮循環的關鍵環節，并增加強效溫室氣體N2O的排放，特別是在河口和沿海水域。與我們的預期相反，在酸化條件下，升高的pCO2并未對化能自養硝化細菌展現“CO2施肥”效應。硝化細菌在轉錄水平上對酸化的響應顯著，并顯著上調了與細胞內pH穩態相關的基因表達，以應對酸化壓力。這些結果為揭示酸化影響硝化作用和相關N2O排放的機制提供了重要的見解，進一步的酸化可能通過刺激N2O排放改變河口和沿海水域的氮循環，并加速全球變暖。

圖1、研究區域和采樣地點，疊加在近底水pH值圖上。各站點用紅色星號標記

圖2、模擬水體酸化對長江口及其鄰近沿海區域硝化作用和相關N?O產生速率的響應。硝化速率。數據展示了酸化處理組與環境對照組相比硝化速率的百分比變化。所有線條的P值均小于0.05。b.N?O產生速率。數據展示了酸化處理組與環境對照組相比N?O產生速率的百分比變化。所有線條的P值均小于0.05。誤差條表示標準差（n=3個生物學獨立樣本）。ΔpH對應水體酸化前后pH值的變化。擬合曲線是通過多項式擬合方法獲得的。

圖3、pCO?增加和pH降低對河口和沿海水域硝化細菌活性的單獨影響。

圖4、酸化對細菌硝化細菌的響應。描述酸化對參與氨的逐步氧化（NH?→NH?OH→NO→NO??→NO??）、N?O產生、能量生成和細胞內pH穩態的基因表達影響的示意模型。由虛線表示膜的破裂，因為亞硝酸鹽氧化作用通常不會與氨氧化作用發生在同一有機體內，除了最近發現的共氨氧化Nitrospira外。相對基因表達的變化（FC）通過將酸化樣本與環境對照組進行比較計算。羅馬數字表示呼吸鏈中的酶復合物I（NADH脫氫酶）、復合物III（細胞色素bc1復合物）、復合物IV（細胞色素c氧化酶）和復合物V（ATP合成酶）。虛線藍色箭頭表示電子的移動。E，未知酶。b.酸化對通過Calvin循環和還原三羧酸（rTCA）循環固定CO?基因表達的影響。蛋白質圖標中心的顏色表示基因轉錄本編碼這些蛋白的上調或下調程度。蛋白質圖標外圍的顏色與（c）中的條形圖顏色相對應。c.如（a）和（b）所示的蛋白質編碼轉錄本的FC變化。

圖5、氨氧化古菌（AOA）對酸化的響應。a.描述酸化對參與NH?氧化、N?O產生、能量生成和AOA的細胞內pH穩態基因表達的影響的示意模型。相對基因表達的變化（FC）通過將酸化樣本與環境對照組進行比較計算。羅馬數字表示呼吸鏈中的酶復合物I（NADH脫氫酶）、復合物III（b-pcy）、復合物IV（pcy-aa3）和復合物V（ATP合成酶）。虛線藍色箭頭表示電子的移動。b.酸化對參與3-羥基丙酸/4-羥基丁酸循環基因表達的影響。蛋白質圖標中心的顏色表示基因轉錄本編碼這些蛋白的上調或下調程度。蛋白質圖標外圍的顏色與（c）中的條形圖顏色相對應。c.如（a）和（b）所示的蛋白質編碼轉錄本的FC變化。

結論與展望

在大氣二氧化碳（CO2）水平不斷上升的背景下，河口和沿海水域的酸化受陸源營養物質輸入、沿海上升流和復雜的生物地球化學過程的嚴重加劇。因此深入了解硝化菌在酸化加劇情況下的反應，對于預測河口和沿海生態系統的響應及其對全球氣候變化的貢獻至關重要。本文顯示酸化可以顯著降低硝化速率，但會刺激在河口和沿海水域產生副產品一氧化二氮（N2O）。通過獨立調節CO2濃度和pH，排除了CO2濃度升高對硝化菌活性的預期有益影響（即“CO2施肥效應”）。元轉錄組數據進一步表明，硝化菌可以顯著上調與細胞內pH穩態相關的基因表達，以應對酸化壓力。本研究揭示了酸化對硝化作用及相關溫室氣體N2O排放的分子機制，有助于預測氣候變化和人類活動下河口和沿海生態系統的響應與演變。Unisense微電極在本研究中通過實時監測溶解氧濃度，確保了實驗條件的穩定性和準確性。這不僅有助于維持硝化作用的正常進行，還為實驗數據的分析提供了重要的支持。通過準確的溶解氧測量，研究人員能夠更可靠地評估酸化對硝化作用和N?O排放的影響，從而為理解河口和沿海生態系統在全球氣候變化和人類活動影響下的演變提供了重要的科學依據。