近日，华东师范大学研究团队揭示了气候变化与人类活动双重压力驱动下，河口海岸水体低氧-酸化耦合胁迫对氮转化关键环节硝化过程及其N2O排放的影响机制。研究发现，低氧和酸化单一胁迫均抑制硝化速率、促进硝化过程副产物N2O这一强效温室气体的排放，而耦合胁迫对硝化速率的抑制和对N2O排放的促进强于单一胁迫但弱于两者效应的线性之和，呈现亚加和效应。相关研究成果以《Hypoxia and acidification antagonistically suppress nitrification but enhance its N2O production in coastal waters》为题，于9月23日发表于《Science Advances》，研究可为评价和预测河口近岸复杂生态系统对气候变化和人类活动的响应与反馈提供重要科学支撑。
成果速递
在全球气候变化与人类活动持续加剧的背景下，河口海岸水体酸化和低氧问题日益突出。大气CO2浓度升高驱动水体酸化，而陆源输入、富营养化及水体层化等过程在驱动水体低氧的同时进一步加剧水体酸化，使二者在河口近岸水域往往耦合发生。水体酸化和低氧可改变河口海岸氮循环的平衡模式与源汇特征，进而影响生态系统结构、功能及其对气候变化的反馈。硝化过程是氮循环的关键环节，也是温室气体N2O的重要来源，对氧和pH的变化高度敏感。然而，目前对低氧和酸化耦合胁迫下硝化过程的响应及其微生物机制仍缺乏认识，严重制约了对河口海岸水环境质量和生态系统功能演化趋势的准确预测。
鉴于此，团队基于自主构建的耦合胁迫模拟微宇宙体系，综合运用稳定同位素示踪和分子生物学等手段，系统探究了河口海岸水体低氧与酸化对硝化过程的耦合影响及其微生物作用机理。研究发现，低氧与酸化单一胁迫均抑制硝化速率、促进硝化来源的N2O排放，但二者耦合时并不表现为各自效应的简单叠加，即对硝化速率的抑制和对N2O排放的促进均强于单一胁迫，却弱于两者效应的线性之和，呈现亚加和效应。这一长期被忽视的耦合影响表明，低氧与酸化叠加下硝化过程及N2O排放的响应不能由单一胁迫简单外推，现有预测模型需审慎处理二者的非线性交互作用。
酸化-低氧对硝化速率及硝化来源N2O排放的耦合影响
在此基础上，研究将实验获得的响应关系与全球河口海岸低氧面积、低氧持续时间、pH变化和N2O通量等资料整合，运用蒙特卡罗模拟，评估了低氧-酸化对硝化过程影响的生态环境效应。结果表明，在低氧与酸化耦合胁迫下，全球河口海岸硝化过程N2O排放量增加约0.96 Tg N2O‑N yr-1（IQR：0.28–2.45），相当于目前全球人为N2O排放总量的14.3%。
河口海岸水体低氧-酸化对硝化过程N2O排放影响的估算
基于宏转录组技术，研究进一步从基因表达水平上剖析了硝化功能微生物对水体低氧与酸化胁迫的响应机理。结果表明，低氧-酸化耦合胁迫普遍下调介导NH3逐步氧化为NO3-的关键功能基因[氨单加氧酶基因（amo）、羟胺氧化还原酶基因（hao）、亚硝酸盐氧化还原酶基因（nxr）等]的表达，但上调N2O产生相关功能基因[一氧化氮还原酶基因（nor）]的表达，为同位素示踪研究结果提供了有力的分子证据。此外，氨氧化细菌亚硝酸还原酶基因nirK的表达在酸化条件下出现下调，在低氧条件下则呈现上调，而这种低氧诱导的上调在伴随酸化时有所减弱，表明硝化细菌反硝化途径介导的N2O生成在低溶解氧条件下增强，但会受到酸化的抑制。研究进一步发现，酸化条件下，硝化微生物可能通过加速跨膜质子转运维持胞内pH平衡以应对水体酸化的胁迫；而在低氧条件下，末端电子受体氧气不足会阻碍电子传递、削弱质子驱动力，进而抑制ATP合成，硝化微生物可能通过上调电子传递链复合体编码基因的表达，尽力维持电子流和质子驱动力，从而缓解低氧对能量代谢的抑制。在固碳基因表达方面，低氧条件下硝化微生物固碳相关基因表达上调，反映其在能量受限时可能优先维持必要生物合成能力的代谢权衡；酸化则抑制硝化细菌的固碳潜力，且在酸化与低氧耦合条件下，酸化的抑制作用占主导。与之不同，氨氧化古菌的固碳基因表达在耦合胁迫下反而上调，表现出一定的竞争优势，也说明不同硝化微生物类群在耦合胁迫下的适应策略存在分化。
基因表达水平上河口海岸硝化微生物对水体酸化-低氧的响应机制
河口海岸硝化微生物固碳基因表达对水体低氧-酸化胁迫的响应
研究成果深化了对河口海岸复杂系统氮素生物地球化学循环机理的认识，为评价和预测全球变化下河口海岸生态功能的演变提供了重要的量化依据。研究团队强调，在全球河口海岸水体酸化与低氧持续加剧的背景下，二者耦合影响虽呈亚加和效应，但仍会显著干扰微生物氮循环、促进温室气体N2O排放，从而对河口海岸水环境质量和全球气候系统构成双重压力。同时，未来预测模型应纳入多胁迫因子的非线性交互作用，以更准确地预测河口海岸氮循环的演变趋势及其及其环境效应与气候反馈。
低氧-酸化对河口海岸生态系统硝化过程的影响
基金资助
研究得到国家自然科学基金（Nos. 42222605, 42576172, 42030411, 42506137, 42230505）、上海市科学技术委员会（No. 23590780200）、国家重点研发计划（Nos. 2023YFC3208400, 2024YFF0808800）、中国博士后科学基金（Nos. 2024M760924）、广东省基础与应用基础研究基金项目（No. 2025A1515011056）。
供稿：郑艳玲
编辑：周洁
审核：郑艳玲、侯立军、周洁、何天豪
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