Influence of organic carbon and nitrate loading on partitioning between dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) and N2 production

有機(jī)碳和硝酸鹽加載對(duì)硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）和N2生產(chǎn)之間分配的影響

來(lái)源：Geochimica et Cosmochimica Acta, Volume 164, 2015, Pages 146-160

《地球化學(xué)與宇宙化學(xué)學(xué)報(bào)》，第164卷，2015年，146-160頁(yè)

 

摘要

摘要闡述了生物可利用氮通過(guò)微生物過(guò)程如厭氧氨氧化（anammox）或反硝化（denitrification）從生態(tài)系統(tǒng)中移除，而硝酸鹽異化還原為銨（DNRA）則保留氮。研究通過(guò)操縱實(shí)驗(yàn)探究有機(jī)碳（C）和硝酸鹽（NO3）加載對(duì)DNRA和N2生產(chǎn)之間分配的影響。實(shí)驗(yàn)使用沉積物薄盤(pán)，在不同C和NO3加載條件下培養(yǎng)，監(jiān)測(cè)無(wú)機(jī)氮濃度，并進(jìn)行15N同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)測(cè)量anammox、反硝化和DNRA的潛在速率。結(jié)果顯示，DNRA和N2生產(chǎn)之間的分配與C分解速率和NO3還原速率的比率（C/NO3）正線性相關(guān)，但并非單獨(dú)與C分解相關(guān)。研究表明高有機(jī)碳加載是DNRA優(yōu)于反硝化的前提，但N2生產(chǎn)在高溫下仍可能顯著。

 

研究目的

研究目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確定有機(jī)碳和硝酸鹽加載對(duì)硝酸鹽還原途徑（特別是DNRA和N2生產(chǎn)）分配的影響，以彌補(bǔ)當(dāng)前對(duì)控制這些途徑分配機(jī)制的理解不足，并揭示碳和氮加載的交互作用如何影響氮保留或損失。

 

研究思路

研究思路包括采集海洋沉積物，制備薄盤(pán)并分為不同處理（添加或不添加有機(jī)碳，低或高NO3加載），在控制條件下培養(yǎng)7周。期間監(jiān)測(cè)坦克中無(wú)機(jī)氮（NH4、NO3、NO2）濃度變化，定期取樣進(jìn)行15N標(biāo)記小瓶實(shí)驗(yàn)測(cè)量anammox、反硝化和DNRA速率。使用反應(yīng)傳輸模型擬合數(shù)據(jù)，計(jì)算氮轉(zhuǎn)化速率，并分析微生物社區(qū)和功能基因。通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估碳和NO3加載對(duì)分配的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 坦克中無(wú)機(jī)氮濃度變化數(shù)據(jù)，包括NH4、NO3和NO2濃度，來(lái)自圖1。研究意義是直接反映沉積物中氮轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)，顯示NO2積累或消耗指示反硝化和DNRA活性，幫助識(shí)別過(guò)程主導(dǎo)因素。

 

2 預(yù)培養(yǎng)小瓶中NH4生產(chǎn)速率數(shù)據(jù)，來(lái)自圖2和圖3。研究意義是評(píng)估有機(jī)碳分解速率，作為電子供體供應(yīng)的代理，鏈接到DNRA和N2生產(chǎn)的分配。

 

 

3 模型擬合的氮轉(zhuǎn)化速率數(shù)據(jù)，如NO3還原、反硝化、DNRA和硝化速率，來(lái)自表3。研究意義是量化各途徑貢獻(xiàn)，顯示DNRA在高溫載下占主導(dǎo)，支持碳加載促進(jìn)氮保留。

 

4 15N小瓶實(shí)驗(yàn)中的N2生產(chǎn)和DNRA速率數(shù)據(jù)，來(lái)自圖5和圖6。研究意義是直接測(cè)量潛在活性，驗(yàn)證模型結(jié)果，表明anammox不顯著，而DNRA和反硝化是主要途徑。

 

 

5 微生物社區(qū)結(jié)構(gòu)和功能基因豐度數(shù)據(jù)。研究意義是揭示微生物機(jī)制，如特定菌群富集與分配相關(guān)，提供生物學(xué)解釋。

 

結(jié)論

1 DNRA和N2生產(chǎn)之間的分配與有機(jī)碳分解速率和NO3還原速率的比率（C/NO3）正相關(guān)，高C/NO3比率促進(jìn)DNRA。

2 高有機(jī)碳加載是DNRA被優(yōu)選的必要條件，但高NO3可用性下N2生產(chǎn)仍可能顯著，表明加載交互作用關(guān)鍵。

3 實(shí)驗(yàn)支持碳加載促進(jìn)氮保留通過(guò)DNRA，而氮加載可能增強(qiáng)損失通過(guò)反硝化，有助于預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)氮平衡。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量溶解N2O數(shù)據(jù)的研究意義在于，它提供了高精度的原位監(jiān)測(cè)能力，能夠?qū)崟r(shí)量化缺氧環(huán)境中的N2O濃度動(dòng)態(tài)。在本研究中，電極用于測(cè)量坦克和小瓶中的溶解N2O（如方法部分所述），盡管論文焦點(diǎn)是DNRA和N2生產(chǎn)，但N2O作為反硝化中間產(chǎn)物，其測(cè)量有助于理解不完全反硝化過(guò)程。電極數(shù)據(jù)可識(shí)別N2O積累熱點(diǎn)，關(guān)聯(lián)到電子競(jìng)爭(zhēng)和酶活性抑制，從而間接揭示DNRA和反硝化之間的平衡。這種測(cè)量增強(qiáng)了過(guò)程機(jī)制的解析，為減少溫室氣體排放提供見(jiàn)解，并支持模型驗(yàn)證。