第一作者：成祥博士生（北京师范大学）
通讯作者：董越副研究员（北京师范大学珠海校区）
论文DOI: 10.1016/j.watres.2023.120351
近日，北京师范大学珠海校区王圣瑞、董越团队联合三峡大学肖尚斌团队在Water Research上发表了题为 “Shifts in the high-resolution
spatial distribution of dissolved N
2
O and the underlying microbial
communities and processes in the Pearl River Estuary”的研究论文 (DOI:
10.1016/j.watres.2023.120351)。研究使用了先进的快速水-气平衡装置技术，对水体溶解性N
2
O浓度进行实时高分辨率测量，精准刻画了珠江口连续的二维N
2
O分布，并结合生物信息学分析，揭示了其背后的微生物过程和机制。综合N
2
O分布特征、微生物机制、反应底物影响和物理因素，研究构建了人为活动和复杂的自然因素多重影响下珠江口N
2
O产生和分布的概念模型，为深入认识河口N
2
O生物地球化学循环过程提供了新的见解
。
研究通过实时高分辨监测获得27,603个溶解性N
2
O浓度数据，精确刻画了珠江口连续的二维N
2
O分布。珠江口N
2
O浓度的水平和垂直分布在精细尺度上变化很大。表层水中的过饱和N
2
O浓度（9.1 - 132.2 nmol/L）沿河口盐度梯度降低，在上游分布有多个排放热点。N
2
O垂直分布显示出明显的差异，从上游完全混合到下游不完全混合，随着深度的增加，浓度由均匀分布转为变化分布。随空间分布变化的反硝化和硝化微生物控制着珠江口中N
2
O的产生，其中反硝化发挥着主导作用。微生物代谢强度从上游向下游逐渐降低，不同环境介质中的反硝化细菌群落结构和功能基因存在差异。
nir
K型和
nir
S型分别在水体和沉积物反硝化细菌中占据主导。底物浓度（NO
3
-
和DOC）通过影响关键微生物过程来调控N
2
O的产生，而河口水团混合等物理因素也极大地影响了N
2
O的分布
。
N
2
O是一种强效温室气体和平流层中主要的消耗臭氧物质。尽管河口面积占比较小，但却对全球N
2
O生物地球化学循环产生了重要的影响。人为和自然因素共同作用使得N
2
O在河口分布具有较大的空间异质性，不连续的单点稀疏测量为研究河口N
2
O排放带来了很大的不确定性。N
2
O的产生受到硝化、反硝化、硝化反硝化和异化硝酸盐还原为铵等多种生化过程的驱动，在营养物质、有机碳、溶解氧、微生物活动、水文条件等多种因素的影响下，河口N
2
O的产生及分布过程非常复杂。珠江口地处粤港澳大湾区，受到强烈的人为干扰，已被证实成为一个重要的N
2
O排放源，高精度的准确测量非常必要，且在复杂的自然和人为影响下，相关的微生物群落分布、过程和机制也亟待探索。本研究采用新型快速水-气平衡装置联用便携式温室气体分析仪，沿走航轨迹实时、高分辨率测量了珠江口溶解N
2
O浓度，包括水平表面和垂直剖面。并结合生物信息学分析，对珠江口内不同空间和环境介质中与N
2
O相关的微生物群落和功能基因进行了深入分析，阐明了N
2
O产生和分布的机理过程
。
Fig. 2.
Two-dimensional
high-resolution distribution of N
2
O concentration and saturation. Concentration and
saturation of dissolved N
2
O in the surface water (a). Vertical
profile of the dissolved N
2
O concentration distribution (b). Copyright
2023, Elsevier Inc.
珠江口N
2
O的浓度分布呈现出高度的空间异质性。水平分布上，上游到下游N
2
O浓度从132.2 nmol/L急剧下降至9.1nmol/L，且均为过饱和状态 (141%-1723%)，进一步证实珠江口是N
2
O排放的源。其中虎门上游排放贡献最大，受到严重的人为影响，具有较高的营养底物浓度。垂直分布上，N
2
O浓度在上下游之间存在明显差异，由于水团从上游的完全混合到下游不完全混合，N
2
O浓度随着深度的增加表现为恒定或变化
。
Fig.
3.
Relative abundance and co-occurrence network of
nitrifying and denitrifying bacteria in the PRE. Relative abundances of the nitrifying bacteria
and denitrifying bacteria at each sampling site (a). Visualization of
constructed microbial networks: surface water (b), bottom water (c)
and sediment (d). Pi-Zi plots for bacterial communities in surface water
(e), bottom water (f) and sediment (g) are displayed based
on their topological roles. Copyright 2023, Elsevier Inc.
微生物共现网络分析揭示了硝化和反硝化细菌之间具有协同关系，在不同环境介质中通过不同的关键属在N
2
O产生过程中起着关键作用。总体上珠江口反硝化细菌的相对丰度高于硝化细菌，且表层水反硝化细菌的相对丰度高于底层水和沉积物，
Thiobacillus
(13.11% ± 32.04%) 和
Paracoccus
(5.29% ± 16.07%) 是主要的反硝化菌属。相比之下，硝化细菌在沉积物中的相对丰度较高，并且亚硝酸氧化细菌的丰度高于氨氧化细菌，
Nitrospina
和
Nitrospira
是前者主要的属。而
Nitrosomonas
(OTU2538),
Nitrospina
(OTU230),
Sulfurimonas
(OTU6735)和
Marinobacter
(OTU6060) 等关键属的共同出现表明沉积物中耦合硝化-反硝化过程的存在。
Fig. 4.
Distribution of ammoxidation and denitrification
functional genes in the PRE, surface water (a), bottom water (b), and sediment
(c).Copyright 2023, Elsevier Inc.
硝化和反硝化功能基因丰度在不同环境介质中的分布总体呈现出上游到下游逐渐降低的趋势。反硝化功能基因 (
nir
S,
nir
K,
nos
Z和
nar
G) 丰度总体显著高于硝化功能基因 (AOA
amo
A和AOB
amo
A) 。AOA
amo
A的基因丰度显著高于AOB
amo
A。而
nir
K和
nir
S分别在水体和沉积物的反硝化细菌中占据主导
。
Fig. 5.
Relationships among
environmental variables, bacterial community, and functional genes in surface
water (a), bottom water (b), and sediment (c).Sediment microbial data (nitrifying and
denitrifying bacteria) and functional genetic information (AOA, AOB, narG,
nirS, nirK and nosZ) were analyzed with bottom water environmental factors in
(c). The analysis methods in the upper right and the lower left corners are
based on Pearman analysis and Mantel analysis, respectively.
硝化和反硝化细菌的相对丰度以及功能基因的绝对丰度均与N
2
O浓度之间存在显著的正相关关系 (
p
< 0.05)。除细菌群落和功能基因之外，环境因素对N
2
O产生也具有重要影响。N
2
O浓度与反应底物NO
3
-
和DOC浓度呈显著正相关 (
p
< 0.05)，与盐度、pH和DO呈显著负相关 (
p
< 0.05)。河口上游高营养物质、高有机碳、低盐度且低DO的环境极大地刺激了N
2
O的产生。
Fig. 6.
Driving effects of ammonia oxidation and
denitrification communities on N
2
O production in the PRE. Nitrogen metabolic pathways and intensity at
each sampling site in the PRE (a). Structural equation models (SEMs)
showing the effects of nutrition concentration, environmental factors, and
related functional genes on dissolved N
2
O concentrations in the
water column (b). The relationship between AOA amoA, AOB amoA, nirS, and
nirK gene abundances and dissolved N
2
O in the water
column (c). Copyright 2023, Elsevier Inc.
通过KEGG方法解析微生物硝化和反硝化代谢强度，微生物代谢强度从上游向下游逐渐降低，反硝化代谢强度高于硝化代谢强度。表层水的反硝化途径（4、5、6和7）具有高代谢强度，高于底层水和沉积物。相比之下，硝化途径（1和2）具有较低的代谢强度，并在沉积物中显示出更高的代谢强度。
Fig. 7.
Conceptual model of N
2
O production
in the PRE.
基于高分辨率N
2
O图谱及其背后微生物驱动机制，研究概括了珠江口N
2
O产生和分布的可能过程。N
2
O的产生和分布受反硝化和硝化微生物空间异质性的控制，其中反硝化占主导地位。微生物代谢强度从上游向下游逐渐降低，并伴随着氨氧化从AOB
amo
A向AOA
amo
A的转变。不同环境介质中的反硝化细菌群落结构和功能基因在主导性上存在差异。
Pseudomonas
和
Marinobacterium
是水体中的主要优势菌群，而
Nitrosomonas,
Nitrospina, Sulfurimonas
和
Marinobacter
则是沉积物中的主要优势菌群。
nir
K型和
nir
S型分别在水体和沉积物反硝化细菌中占据主导。营养物质和有机碳通过调控关键微生物过程影响N
2
O的产生，而河口水团混合形成盐水楔和淡水羽流，极大地影响了N
2
O水平和垂直分布，而这种复杂的水团混合会进一步导致浊度的增加和局部缺氧区域的形成，进一步影响N
2
O的产生。
该研究将二维高分辨实时测量与生物信息学分析相结合，极大提高了珠江口N
2
O排放分布测度的精确性，并对潜在微生物群落、功能基因进行了剖析，为多重环境影响下珠江口N
2
O动态变化的微生物机制提供了细致深入的阐释
。
董越
博士，北京师范大学珠海校区特聘副研究员、硕士生导师。致力于营养物质循环系统模拟、环境地球化学过程分析及生态环境效应评估等方面的研究工作，针对城市系统氮物质的分布格局、归趋特征及环境效应，河口温室气体排放、碳氮循环开展了系列研究，以第一作者/通讯作者在Nature Communications，Water Research等SCI Top期刊发表论文9篇，获发明专利2项，软件著作权1项，主持国家自然科学基金青年基金、广东省联合基金等课题研究3项，重点参与国家及省部级课题研究8项。欢迎交流和合作，招收研究助理，联系邮箱：dongyue@bnu.edu.cn
。
王圣瑞
博士，北京师范大学教授，博士生导师。立足解决我国河湖水系及区域水环境与水安全难题，并将水环境科学理论与方法广泛应用于我国河湖治理及水生态修复实践。入选首批国家万人计划科技创新领军人才，国家水重大专项标志性成果一级责任专家与湖泊主题组副组长，中国环境科学学会沉积物环境专业委员会副主任委员；获环保部“五四”青年奖章、中国环境科学学会突出贡献奖及青年科技创新奖等荣誉；主持重大专项课题、国家自然科学基金重点项目等国家重点研究课题30多项，发表论文200多篇；获国家科技进步二等奖1项，部级科技进步一等奖5项，省部级二等奖3项及专著15部、国家发明专利20件及软件著作权等多项成果。
肖尚斌
博士
,
三峡大学水利与环境学院教授
,
博士生导师，环境工程系主任。现主要从事淡水生态系统碳循环研究。先后主持中科院王宽诚博士后基金、中国博士后基金、首届中国博士后特别资助基金、湖北省自然科学基金青年杰出人才项目、
"
十一五
”
国家水体污染控制与治理科技重大专项子题、国家自然科学基金等。以第一作者和通讯作者在《
Water Research
》、《
Sedimentology
》、《科学通报》等国内外核心刊物上发表论文近百篇。
Permissions for reuse of all Figures have been
obtained from the original publisher. Copyright 2023, Elsevier Inc
Xiang Cheng, Yue Dong*, Fuqiang Fan, Shangbin Xiao,
Jia Liu, Shengrui Wang, Wei Lin, Chunyang Zhou. Shifts in the high-resolution
spatial distribution of dissolved N
2
O and the underlying microbial
communities and processes in the Pearl River Estuary. Water Research, 2023, 120351
来源：
Environmental Advances
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