2020年3月23日，地學領域頂級期刊《自然·氣候變化》（Nature Climate Change）在線發表了我院高樹基教授課題組的最新研究成果。論文題目為“Warming stimulates sediment denitrification at the expense of anammox”，揭示了氣溫升高將以抑制厭氧氨氧化為代價刺激沉積物反硝化，加劇全球變暖。
人類活動引起的活性氮添加已經成為僅次于生物多樣性危機的全球第二嚴重的生態環境問題，而近岸水域生態系統受到的干擾尤為嚴重。微生物介導的反硝化和厭氧氨氧化是生態系統中兩個主要活性氮的移除通路，是地球系統的自凈過程。有趣的是反硝化以溫室效應氣體氧化亞氮（N2O）為中間產物，而厭氧氨氧化則不產生N2O，從而成為環境友好通路。陸海界面的沉積物是脫氮發生的熱點場所，在未來全球暖化的背景下，脫氮微生物將直接受到升溫的影響，其介導的脫氮速率量級變化將決定近海生態系統的活性氮儲庫大小，而反硝化與厭氧氨氧化對溫度的差異性響應也將通過氧化亞氮釋放反饋于氣侯。
基于同位素配對技術，氮循環課題組以九龍江河口及其潮間帶等典型陸海關鍵帶為研究區域，通過沉積物溫控培養實驗，該研究首次開展了低緯度海陸界面沉積物氮移除過程的溫度響應研究，分別獲取了反硝化、厭氧氨氧化和N2O產生過程的溫度響應曲線，得出各過程的Q10值，評估其溫度敏感性；并進一步探討氣候變暖下全球范圍不同緯度沉積物不同氮移除過程的響應及其氣候反饋。研究發現，在低緯度沉積物中，升溫直接刺激沉積物反硝化過程中N2O的釋放，其Q10值顯著高于反硝化和厭氧氨氧化過程的Q10值（圖1）。全球集成數據揭示了任何緯度下反硝化過程最適溫度（Topt）皆高于厭氧氨氧化過程的Topt（圖2），表明反硝化細菌更能適應高溫環境，而厭氧氨氧化細菌則相對嗜冷；同時，兩個脫氮過程的Topt與原位環境溫度呈現一致的緯度分布模式，表明原位環境溫度也在調控脫氮細菌溫度響應過程中扮演重要角色；另一方面，反硝化與厭氧氨氧化過程的Topt與原位環境溫度的差異隨緯度降低而減小，尤其在低緯度區域，原位環境溫度逼近反硝化過程的Topt，甚至已經超過厭氧氨氧化過程的Topt，這一現象暗示在全球變暖的背景下，中高緯度沉積物反硝化細菌和厭氧氨氧化細菌仍處于可耐受溫度范圍，而在低緯度區域，些微的升溫即可能抑制厭氧氨氧化細菌活性。綜上，未來全球變暖將可能削弱厭氧氨氧化，促進反硝化，導致更多的氮移除并以N2O形式排放，從而加劇全球變暖。
圖1 反硝化過程中N2O釋放，N2釋放以及反硝化與厭氧氨氧化四個過程Q10值比較。D-N2O，D-N2，D和A分別表示反硝化介導的N2O釋放，N2釋放，反硝化和厭氧氨氧化過程。叉叉和空心圓圈分別表示夏季和冬季數據。* p＜0.05。
圖2 全球尺度上不同緯度下反硝化過程Q10值，反硝化與厭氧氨氧化過程最適溫度及其環境原位溫度的緯度變化。橫坐標表示不同的研究文獻及研究區域的緯度。
該研究工作由我院海洋氮循環課題組完成，獲得了國家自然科學基金委“海洋氮循環及全球變化”創新研究群體和“水圈微生物驅動地球元素循環的機制”重大研究計劃等項目的資助，高樹基教授為該創新群體的負責人。課題組2019屆博士生譚萼輝為論文第一作者，高樹基教授為通訊作者。
論文來源：
Tan Ehui, Zou Wenbin, Zheng Zhenzhen, Yan Xiuli, Du Moge, Hsu Ting-Chang, Tian Li, Middelburg J. Jack, Trull W. Thomas, Kao Shuh-ji*. Warming stimulates sediment denitrification at the expense of anammox. Nature Climate Change, 2020, DOI: 10.1038/s41558-020-0723-2.
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41558-020-0723-2
