Importance and controls of anaerobic ammonium oxidation influenced by riverbed geology

厭氧氨氧化的重要性及控制受河床地質影響的作用

來源：Nature Geoscience, 2016, 9, 357–360

 

論文摘要

摘要指出，河流是全球生物可利用氮（固定氮）的一個重要“匯”，每年將約40%的陸地氮輸入轉化為氣體（N?）返回大氣。目前，河流中N?的產生被概念化和建模為反硝化過程。厭氧氨氧化（Anammox）是另一種產生N?的重要途徑，在海洋環境中作用顯著，但其對河流N?產生的貢獻尚不清楚。本研究利用1?N標記技術進行原位和實驗室測量，并結合微生物群落分子分析，評估了英國漢普希爾埃文流域中以粘土、沙子和白堊為主的河床在夏季的厭氧氨氧化活動。研究發現，盡管厭氧氨氧化的速率在不同地質條件下相似，但由于反硝化速率的變化，其對N?產生的貢獻比例差異顯著。出乎意料的是，在有氧、透水的河床中，厭氧氨氧化（很可能與部分硝化作用耦合）最高貢獻了高達58%的原位N?產量。相比之下，在低滲透性的粘土河床中，反硝化占主導地位，厭氧氨氧化的貢獻僅為約7%。研究得出結論：厭氧氨氧化是透水河流沉積物中一個重要的氮損失途徑。

研究目的

本研究旨在量化厭氧氨氧化在不同地質類型（粘土、沙、白堊）河床的氮循環中的相對貢獻，并揭示控制其活性的關鍵環境因素。具體目標是：1）驗證在含氧的透水河床中，厭氧氨氧化是否是一個重要的N?產生過程；2）闡明河床地質（通過影響滲透性和水化學）如何調控厭氧氨氧化與反硝化之間的競爭關系。

研究思路

研究團隊采用了多學科、多尺度相結合的研究思路：

 

野外位點選擇：在英國漢普希爾埃文流域，精心選擇了9條河流，分別代表以粘土（低滲透性）、沙子和白堊（高滲透性） 為主的三類子流域，構成一個地質/滲透性梯度。

綜合方法聯用：

 

地球化學測量：使用1?N同位素示蹤技術，在實驗室制備的沉積物漿液和原位河床中，直接測量厭氧氨氧化和反硝化的潛在活性和原位速率。

分子生物學分析：通過定量PCR（qPCR）測量厭氧氨氧化功能基因（hzo）的豐度，并通過高通量測序分析hzo基因和16S rRNA基因的序列，以揭示厭氧氨氧化菌的群落結構和多樣性。

 

環境參數監測：詳細測量孔隙水中的溶解氧、銨鹽（NH??）、硝酸鹽/亞硝酸鹽（NOx?）、磷酸鹽等化學指標，并將這些數據與微生物活動關聯起來。

 

控制實驗：進行了添加硝化抑制劑（烯丙基硫脲）等控制實驗，以驗證在有氧條件下N?的產生確實依賴于硝化-厭氧氨氧化的耦合過程。

 

統計分析：運用多變量統計方法（如冗余分析RDA）來識別影響厭氧氨氧化活性的關鍵環境驅動因子。

 

測量數據及研究意義（注明來源）

 

厭氧氨氧化活性和貢獻率（來自圖1a, b）：

 

數據：數據顯示，盡管厭氧氨氧化的絕對速率在不同地質河床中相對接近，但其對N?生產的相對貢獻（ra） 存在巨大差異。在透水的沙子和白堊河床中，ra可高達58%（中值37%），而在粘性河床中，ra僅為7%左右。

 

研究意義：這直接證明了河床的物理結構（滲透性）是控制厭氧氨氧化生態位和相對重要性的關鍵因素。在透水河床中，厭氧氨氧化是與反硝化同等重要的氮損失途徑，這改變了人們對河流脫氮過程的傳統認知。

 

有氧條件下N?的產生（來自圖2a, b）：

 

數據：在空氣飽和（有氧）的沉積物漿液中添加1?NH??后，立即檢測到了1?N-N?的產生。當加入硝化抑制劑烯丙基硫脲后，N?的產生被完全抑制。

 

研究意義：這是突破性的發現，它證明了即使在有氧環境中，通過硝化作用提供亞硝酸鹽（NO??），并與厭氧氨氧化緊密耦合，也能有效產生N?。這表明在透水沉積物的氧化-還原過渡微環境中，厭氧氨氧化可以活躍進行。

 

環境因子與厭氧氨氧化的關聯（來自圖3a, b, c）：

 

數據：冗余分析（RDA） triplot 顯示，厭氧氨氧化活性與亞硝酸鹽（NO??）和氧氣（O?） 濃度呈正相關，而與銨鹽（NH??）濃度無關。此外，厭氧氨氧化的貢獻和hzo基因的豐度隨基流指數（BFI，表征地下水補給比例） 的增加而顯著增加。

 

研究意義：揭示了厭氧氨氧化的主要限制因子是亞硝酸鹽的供應而非銨鹽。高BFI意味著更穩定的水文和化學條件，有利于厭氧氨氧化菌群落的建立和活動。這將厭氧氨氧化的發生從宏觀的“有氧/無氧”條件推進到微觀的化學梯度層面。

 

hzo基因豐度與多樣性（來自補充表3和補充圖1）：

 

數據：hzo基因的絕對豐度和相對豐度（相對于總細菌16S rRNA基因）在白堊河床中最高。系統發育分析顯示河流沉積物中含有豐富且多樣的厭氧氨氧化菌，可分為四個進化枝，其分布在不同地質間存在差異。

 

研究意義：證實了活躍的厭氧氨氧化微生物群落的存在，并且其群落結構受到環境選擇的影響。高度的多樣性表明淡水河流可能是厭氧氨氧化菌的重要棲息地和多樣性熱點。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

挑戰了傳統范式：研究證實，厭氧氨氧化是溫帶河流，特別是透水河床中一個重要的、此前被低估的氮損失途徑，其貢獻可與反硝化相媲美。

揭示了關鍵控制因素：河床的滲透性/地質結構是決定厭氧氨氧化相對貢獻的首要控制因素。它通過調節孔隙水化學（特別是氧和亞硝酸鹽的分布）來創造適合厭氧氨氧化的微環境。

闡明了耦合機制：在透水河床的有氧條件下，硝化-厭氧氨氧化的耦合是產生N?的重要機制。這種耦合效率很高，使得亞硝酸鹽不會在孔隙水中大量積累。

 

提出了新的概念模型：在低滲透性粘土河床中，反硝化主導氮的移除；而在高滲透性沙/白堊河床中，厭氧氨氧化和反硝化共同作為主要的氮匯。這意味著河流的氮循環功能與其流域地質密切相關。

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義（詳細解讀）

在本文中，丹麥Unisense微電極系統被用于高分辨率測量沉積物孔隙水中的溶解氧濃度，這項技術為論證“有氧河床中發生厭氧氨氧化”這一核心發現提供了至關重要的環境背景證據。

 

揭示氧化還原微環境的存在：Unisense溶解氧微電極能夠以亞毫米級的高空間分辨率穿刺測量沉積物剖面。這種高分辨率對于在表觀有氧的透水河床（沙、白堊）中識別出局部的、瞬時的缺氧/低氧微環境至關重要。正是這些微環境為嚴格厭氧的厭氧氨氧化菌提供了生存和活動的“避難所”。沒有這種高精度測量，就無法解釋為什么厭氧過程會在充滿氧氣的河床中發生。

建立化學梯度與過程的聯系：研究通過Unisense電極等工具繪制了詳細的孔隙水化學圖譜（如圖3和補充圖3、4）。數據顯示，透水河床的孔隙水通常氧化程度更高（富含硝酸鹽，中等含氧量），而粘性河床的孔隙水則處于更還原的狀態（富含銨鹽和Fe2?）。這些化學梯度與厭氧氨氧化活性的分布密切相關（厭氧氨氧化在更氧化的環境中貢獻更大）。因此，Unisense電極的數據是連接河床物理性質（滲透性）、孔隙水化學（氧化還原狀態）和生物地球化學過程（厭氧氨氧化）之間的關鍵橋梁。

 

量化關鍵環境變量：溶解氧濃度是控制氮轉化途徑（硝化 vs 反硝化）的核心變量。Unisense電極提供的精確溶解氧數據，使得研究者能夠定量地評估硝化作用（需氧）的潛力，從而支持了“硝化作用為厭氧氨氧化提供底物（亞硝酸鹽）”的假設。它幫助確定了厭氧氨氧化活動發生的具體氧化還原窗口。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極在本研究中的作用遠非簡單的氧氣濃度測量。它是證明“有氧環境中存在厭氧過程”這一看似矛盾現象的決定性工具。通過提供高分辨率的原位氧化還原狀態信息，它使研究者能夠從微觀尺度上理解復雜的生物地球化學相互作用，最終顛覆了人們對河流氮循環的傳統認知，即厭氧氨氧化不僅是深海或污水處理廠中的過程，也同樣活躍在那些我們原本認為“充滿氧氣”的河床之下。