科技创新

第一作者：李任飞&袁英

通讯作者：席北斗

通讯单位：中国环境科学研究院

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

文章导读

甲烷与氧化亚氮是两种强效温室气体，其温室效应分别约为二氧化碳的28倍和300倍。长期以来，人们已认识到厌氧甲烷氧化（AOM）能耦合反硝化过程从而有效削减甲烷排放，但其是否也能同时抑制源自反硝化过程的氧化亚氮排放仍缺乏深入探讨。我院土壤地下水所污染物多界面环境行为效应PI团队首次系统揭示了AOM耦合反硝化过程如何在土壤中协同降低甲烷与氧化亚氮排放的反应过程，为双温室气体协同治理提供了微生物机制层面的新解法。研究成果在《Science Advances》上发表了题为“Anaerobic methane oxidation coupled with denitrification mitigates soil nitrous oxide emissions”的研究论文。

研究亮点

•AOM耦合反硝化可显著降低土壤氧化亚氮排放；

•AOM与硝酸盐还原和亚硝酸盐还原间的耦合途径存在差异；

•甲烷可作为碳源和电子供体促进完全反硝化，抑制氧化亚氮排放；

•引入电子穿梭体，可进一步强化AOM过程、加速氧化亚氮削减。

研究目的

本研究旨在阐明AOM是否以及如何通过耦合反硝化过程，协同降低土壤中甲烷和氧化亚氮两种温室气体的排放，从而探索其在碳氮循环偶联与温室气体协同减排中的潜力机制，为绿色低碳治理提供新思路。

文章简介

基于填埋场（甲烷与氧化亚氮的排放热点）覆土层厌氧区原位土壤，结合AOM耦合不同类型反硝化的微观实验以及胞外电子转移实验，利用13C稳定同位素标记、微生物组学、宏基因组分箱（MAGs），深入探究了AOM与反硝化过程的耦合对N2O排放的影响及其作用机制。研究首次系统揭示了AOM耦合反硝化作用可协同削减CH4与N2O排放的微生物机制，发现以Methylobacter为核心的甲烷氧化菌与反硝化菌（Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae）存在协作。AOM通过提供电子与碳源，推动硝酸盐/亚硝酸盐的完全还原，降低N2O生成。研究还发现，AOM-硝酸盐还原可单独由Methylobacter 启动，而AOM-亚硝酸盐还原则依赖于多菌种协作及电子穿梭过程。这一发现不仅深化了对碳氮循环偶联过程的理解，也为填埋场等温室气体排放源中CH4与N2O的协同控制提供了新的生物地球化学机制基础。

图1. 添加CH4和空白条件下，亚硝酸盐和硝酸盐还原过程中的N2O排放动态：(a)亚硝酸盐处理组；(b)硝酸盐处理组；(c) 在第7天不同处理组的N2O浓度

图2. 添加CH4和空白条件下，亚硝酸盐和硝酸盐培养过程中CH4以及13CO2浓度的动态变化：(a)亚硝酸盐处理组CH4浓度变化；(b)硝酸盐处理组CH4浓度变化；(c)亚硝酸盐处理组13CO2丰度变化；(d)硝酸盐处理组13CO2丰度变化。

图3. 微生物群落结构变化。(a)优势属微生物组成；(b)亚硝酸盐处理组与对照组间OTU丰度差异的火山图；(c)硝酸盐处理组与对照组的OTU差异火山图；(d)基于所有处理组OTU丰度构建的微生物共现网络；(e)模块0中与Methylobacter属有关的微生物互作网络。

图4. 基于MAGs的AOM耦合反硝化代谢途径

研究结论

AOM与反硝化的耦合能够显著减少N2O排放。其中硝酸盐还原和亚硝酸盐还原过程在耦合AOM后，大约降低了其N2O排放的37%。AOM耦合反硝化过程具有不同的反应模式，AOM耦合硝酸盐还原在反应初始阶段表现出更早的快速反应期，相较于AOM耦合亚硝酸盐还原，其速率提升阶段提前约一周。AOM耦合反硝化过程中的功能菌为甲烷氧化菌Methylobacter与反硝化菌Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae。AOM通过提供电子和碳源，支持反硝化菌完成完整反硝化作用，并抑制了N2O的产生。AOM耦合硝酸盐与亚硝酸盐还原具有不同的微生物协作策略，AOM耦合硝酸盐还原在初始阶段可以由甲烷氧化菌Methylobacter单独完成，而AOM耦合亚硝酸盐还原在初期需要反硝化菌Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae合作并且存在胞外电子转移。