2020年7月14日，國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表了我院“海洋氮循環與全球變化”創新研究群體高樹基教授實驗室的最新研究成果“Substrate regulation leads to differential responses of microbial ammonia-oxidizing communities to ocean warming”，該研究揭示了底物濃度（銨）除了調節海洋氨氧化速率大小，更調節了氨氧化最適宜溫度，進而決定了水體氨氧化速率對暖化的響應特征是屬于促進或是抑制，以當代海洋具體表現為升溫促進近岸氨氧化速率而抑制遠洋氨氧化速率。

氨氧化鏈接氮的源匯過程，也是溫室氣體N₂O產生的主要過程之一，因此在氮循環和其潛在的氣候效應當中扮演重要角色。在全球人為氮排放增加及暖化問題持續擴大的背景下，了解海洋中不同區域氨氧化速率對于海洋增暖的響應對預測海洋氮過程趨勢與氣候變化反饋至關重要。然而，現有海洋氨氧化的溫度效應研究有限，且結果存在不一致性（促進與無效應）。通過文獻調研，研究團隊發現這種不一致性存在明顯區域特征，推論與底物濃度以及氨氧化微生物群落的最適宜溫度相關。

為驗證假說，研究團隊通過同位素示蹤培養技術及溫度/底物調控實驗（研究區域涵蓋河口、陸架、陸坡以及海盆區），測定不同底物水平下氨氧化速率對溫度的響應特征，發現氨氧化微生物群落（氨氧化細菌與古菌）和底物水平共同調節氨氧化作用的速率以及最適宜溫度（T_opt）。從河口到海盆，伴隨著底物銨濃度及氨氧化細菌對速率貢獻的下降，T_opt由近岸的≥34°C降低至遠洋的≤14°C。與此同時，在寡營養鹽站位的底物加富實驗顯著提高了氨氧化速率的T_opt（圖1），進一步證明底物濃度加富可以提升氨氧化微生物對溫度的耐受性。

經過演算，增溫對氨氧化細菌和氨氧化古菌會產生差異性影響，隨著溫度的增加，氨氧化古菌（以J1海盆站為例）的親和力下降幅度顯著大于氨氧化細菌（以JLR4九龍江河口站為例）（圖2a），表明氨氧化古菌比氨氧化細菌對增溫更為敏感，且在未來海洋暖化的趨勢下，氨氧化古菌在低底物環境中的競爭優勢將有所降低。此外，文章還建立了氨氧化動力學模型，精準地預測了不同底物水平的T_opt改變，并在現場觀測數據基礎上，預測到2100年，溫度增加4℃時，近岸富營養鹽區域氨氧化速率將增加0.4 – 30%，而在寡營養海域，氨氧化速率將降低13 – 33%（圖2b）。

該研究解決了當前海洋氨氧化對于溫度響應的爭議，提升了國際上對于氨氧化微生物類群與速率對于溫度響應的了解，同時呼吁在生物地球化學模型參數化過程中，必須考慮不同營養鹽水平下的生物地球化學循環過程對暖化的差異性響應。

圖1. 氨氧化速率的溫度響應特征。虛線為原位濃度的響應曲線，實線為加富底物的溫度響應曲線，灰色陰影區代表溫度高于采樣時原位溫度。

圖2. （a）氨氧化速率以古菌主導的J1站位和以細菌主導的JLR4站氨氧化菌的底物親和力對溫度的響應特征；（b）近岸和遠洋氨氧化速率對增暖的響應特征。灰色陰影指示海表溫度增幅≤4℃。

該研究工作由近海海洋環境科學國家重點實驗室、海洋與地球學院海洋氮循環課題組及其合作者完成，并獲得了國家自然科學基金委“水圈微生物驅動地球元素循環的機制”重大研究計劃和創新研究群體等項目的資助，環境與生態學院博士后鄭珍珍為第一作者。

論文來源：

Zhen-Zhen Zheng, Li-Wei Zheng, Min Nina Xu, Ehui Tan, David A. Hutchins, Wenchao Deng, Yao Zhang, Dalin Shi, Minhan Dai and Shuh-Ji Kao*. Substrate regulation leads to differential responses of microbial ammonia-oxidizing communities to ocean warming. Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-17366-3. 

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17366-3

                                        近海海洋環境科學國家重點實驗室

                                        海洋與地球學院