科技創新

第一作者：李任飛&袁英

通訊作者：席北斗

通訊單位：中國環境科學研究院

論文DOI：https://doi.org/10.1126/sciadv.adv1410

文章導讀

甲烷與氧化亞氮是兩種強效溫室氣體，其溫室效應分別約為二氧化碳的28倍和300倍。長期以來，人們已認識到厭氧甲烷氧化（AOM）能耦合反硝化過程從而有效削減甲烷排放，但其是否也能同時抑制源自反硝化過程的氧化亞氮排放仍缺乏深入探討。我院土壤地下水所污染物多界面環境行為效應PI團隊首次系統揭示了AOM耦合反硝化過程如何在土壤中協同降低甲烷與氧化亞氮排放的反應過程，為雙溫室氣體協同治理提供了微生物機制層面的新解法。研究成果在《Science Advances》上發表了題為“Anaerobic methane oxidation coupled with denitrification mitigates soil nitrous oxide emissions”的研究論文。

研究亮點

?AOM耦合反硝化可顯著降低土壤氧化亞氮排放；

?AOM與硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原間的耦合途徑存在差異；

?甲烷可作為碳源和電子供體促進完全反硝化，抑制氧化亞氮排放；

?引入電子穿梭體，可進一步強化AOM過程、加速氧化亞氮削減。

研究目的

本研究旨在闡明AOM是否以及如何通過耦合反硝化過程，協同降低土壤中甲烷和氧化亞氮兩種溫室氣體的排放，從而探索其在碳氮循環偶聯與溫室氣體協同減排中的潛力機制，為綠色低碳治理提供新思路。

文章簡介

基于填埋場（甲烷與氧化亞氮的排放熱點）覆土層厭氧區原位土壤，結合AOM耦合不同類型反硝化的微觀實驗以及胞外電子轉移實驗，利用13C穩定同位素標記、微生物組學、宏基因組分箱（MAGs），深入探究了AOM與反硝化過程的耦合對N2O排放的影響及其作用機制。研究首次系統揭示了AOM耦合反硝化作用可協同削減CH4與N2O排放的微生物機制，發現以Methylobacter為核心的甲烷氧化菌與反硝化菌（Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae）存在協作。AOM通過提供電子與碳源，推動硝酸鹽/亞硝酸鹽的完全還原，降低N2O生成。研究還發現，AOM-硝酸鹽還原可單獨由Methylobacter 啟動，而AOM-亞硝酸鹽還原則依賴于多菌種協作及電子穿梭過程。這一發現不僅深化了對碳氮循環偶聯過程的理解，也為填埋場等溫室氣體排放源中CH4與N2O的協同控制提供了新的生物地球化學機制基礎。

圖1. 添加CH4和空白條件下，亞硝酸鹽和硝酸鹽還原過程中的N2O排放動態：(a)亞硝酸鹽處理組；(b)硝酸鹽處理組；(c) 在第7天不同處理組的N2O濃度

圖2. 添加CH4和空白條件下，亞硝酸鹽和硝酸鹽培養過程中CH4以及13CO2濃度的動態變化：(a)亞硝酸鹽處理組CH4濃度變化；(b)硝酸鹽處理組CH4濃度變化；(c)亞硝酸鹽處理組13CO2豐度變化；(d)硝酸鹽處理組13CO2豐度變化。

圖3. 微生物群落結構變化。(a)優勢屬微生物組成；(b)亞硝酸鹽處理組與對照組間OTU豐度差異的火山圖；(c)硝酸鹽處理組與對照組的OTU差異火山圖；(d)基于所有處理組OTU豐度構建的微生物共現網絡；(e)模塊0中與Methylobacter屬有關的微生物互作網絡。

圖4. 基于MAGs的AOM耦合反硝化代謝途徑

研究結論

AOM與反硝化的耦合能夠顯著減少N2O排放。其中硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原過程在耦合AOM后，大約降低了其N2O排放的37%。AOM耦合反硝化過程具有不同的反應模式，AOM耦合硝酸鹽還原在反應初始階段表現出更早的快速反應期，相較于AOM耦合亞硝酸鹽還原，其速率提升階段提前約一周。AOM耦合反硝化過程中的功能菌為甲烷氧化菌Methylobacter與反硝化菌Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae。AOM通過提供電子和碳源，支持反硝化菌完成完整反硝化作用，并抑制了N2O的產生。AOM耦合硝酸鹽與亞硝酸鹽還原具有不同的微生物協作策略，AOM耦合硝酸鹽還原在初始階段可以由甲烷氧化菌Methylobacter單獨完成，而AOM耦合亞硝酸鹽還原在初期需要反硝化菌Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae合作并且存在胞外電子轉移。