研究新发现：硝化作用控制了富营养化水体氧化亚氮排放的时空变化格局

　　减少或控制温室气体排放对全球气候变化的影响，是当前全球可持续发展面临的重要挑战之一。氧化亚氮（N2O）在百年尺度上的增温潜势约是二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）的280和20倍；当前水生生态系统中N2O排放已成为国际地学研究领域内的学术前沿和热点。然而，在区域和全球尺度下，N2O排放表现出显著的时空异质性，使得准确量化水体N2O排放变得尤为困难。其中，很重要的原因就是对N2O产生途径和消耗过程缺乏定量化认识，致使N2O排放模型中的关键参数仍依赖于经验公式，存在极大的不确定性。近年来，N2O稳定同位素分析技术和分子生物学方法的发展为水生生态系统N2O产生途径和消耗过程的定量化辨识提供了可能。

　　基于天然源N2O稳定同位素的广阔应用前景和对相关分析技术的极大需求，华东师范大学河口海岸国家重点实验室碳氮循环与微生物生理生态研究团队通过与国内外相关高校和科研机构合作，建立了基于Precon-GC-IRMS系统的天然源样品中N2O同位素异位体（Isotopomer）分析系统。该分析系统N2O工作标准气体校准由日本东京工业大学研究团队合作完成，δ15Nbulk、δ18O和SP检测精度小于0.1‰ 和0.5 ‰，并且实现了低浓度N2O（<50 ppb）氮氧稳定同位素的分析检测。此外，配合自主研发的水体N2O提取前处理技术和自动进样系统，极大的提高了分析检测效率。目前，该项技术已成功应用于湖泊水体（Liang et al., 2022）、河口盐沼（Wu et al., 2022; Gao et al., 2020）以及实验室培养条件下的N2O溯源（Han et al., 2021）工作中。

图1. N2O稳定同位素Precon-GC-IRMS分析检测系统
图2. 基于N2O的δ15NSP、δ18O和δ15Nbulk的3D（a）和2D（b）模型图以及计算得到的不同N2O产生途径和N2O消耗量值（c）

　　近日，国际环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology在线刊登了研究团队最新成果《Nitrification Regulates the Spatiotemporal Variability of N2O Emissions in a Eutrophic Lake》。本研究以太湖为典型区，将天然源N2O稳定同位素分析技术和分子生物学分析方法结合，剖析了N2O产生途径和消耗过程对富营养化湖泊水体N2O排放时空分布格局的影响。结果发现，湖泊水体中超过50%的N2O源自微生物过程产生，其中约90%来自于反硝化作用，但约有27~83%的N2O同时被还原消耗。强烈的N2O消耗过程导致夏季湖泊呈现N2O吸收状态。与此同时，硝化作用是促进湖泊水体N2O产生的关键过程，能够使湖泊在秋冬季成为N2O排放源，而春季藻华暴发同时抑制反硝化N2O产生和N2O还原消耗。本研究量化了硝化、反硝化以及N2O还原消耗对湖泊水体N2O排放的贡献和N2O排放时空格局的调控作用，提出硝化作用在富营养化湖泊水体N2O排放中具有不可忽视重要角色。研究成果可为全球湖泊水体N2O排放评估以及相关模型关键参数选择提供重要的科学依据。

参考文献：

1. Xia Liang, Baoli Wang, Dengzhou Gao, Ping Han, Yanling Zheng, Guoyu Yin, Hongpo Dong, Yali Tang, and Lijun Hou. 2022. Nitrification Regulates the Spatiotemporal Variability of N2O Emissions in a Eutrophic Lake. Environmental Science & Technology. DOI: 10.1021/acs.est.2c03992
2. Li Wu, Zhirui An, Jie Zhou, Feiyang Chen, Bolin Liu, Lin Qi, Guoyu Yin, Hongpo Dong, Min Liu, Lijun Hou, and Yanling Zheng. 2022. Effects of Aquatic Acidification on Microbially Mediated Nitrogen Removal in Estuarine and Coastal Environments. Environmental Science & Technology, 56 (9), 5939-5949.
3. Ping Han, Dianming Wu, Dongyao Sun, Mengyue Zhao, Mengdi Wang, Teng Wen, Jinbo Zhang, Lijun Hou, Min Liu, Uli Klümper, Yanling Zheng, Hong-Po Dong, Xia Liang, Guoyu Yin. 2021. N2O and NOy production by the comammox bacterium Nitrospira inopinata in comparison with canonical ammonia oxidizers. Water Research, 190, 116728.
4. Dengzhou Gao, Lijun Hou, Min Liu, Xiaofei Li, Yanling Zheng, Guoyu Yin, Dianming Wu, Yi Yang, Ping Han, Xia Liang, Hongpo Dong. 2020. Mechanisms responsible for N2O emissions from intertidal soils of the Yangtze Estuary. Science of The Total Environment, 716, 137073.