第一作者：李任飛&袁英

通訊作者：席北斗

通訊單位：中國環(huán)境科學(xué)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(cháng)期以來(lái)，人們已認識到厭氧甲烷氧化（AOM）能耦合反硝化過(guò)程從而有效削減甲烷排放，但其是否也能同時(shí)抑制源自反硝化過(guò)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(huán)境行為效應PI團隊首次系統揭示了AOM耦合反硝化過(guò)程如何在土壤中協(xié)同降低甲烷與氧化亞氮排放的反應過(guò)程，為雙溫室氣體協(xié)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(fā)表了題為“Anaerobic methane oxidation coupled with denitrification mitigates soil nitrous oxide emissions”的研究論文。

研究亮點(diǎn)

?AOM耦合反硝化可顯著(zhù)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(jìn)完全反硝化，抑制氧化亞氮排放；

?引入電子穿梭體，可進(jìn)一步強化AOM過(guò)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(guò)耦合反硝化過(guò)程，協(xié)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(huán)偶聯(lián)與溫室氣體協(xié)同減排中的潛力機制，為綠色低碳治理提供新思路。

文章簡(jiǎn)介

基于填埋場(chǎng)（甲烷與氧化亞氮的排放熱點(diǎn)）覆土層厭氧區原位土壤，結合AOM耦合不同類(lèi)型反硝化的微觀(guān)實(shí)驗以及胞外電子轉移實(shí)驗，利用13C穩定同位素標記、微生物組學(xué)、宏基因組分箱（MAGs），深入探究了AOM與反硝化過(guò)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(xié)同削減CH4與N2O排放的微生物機制，發(fā)現以Methylobacter為核心的甲烷氧化菌與反硝化菌（Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae）存在協(xié)作。AOM通過(guò)提供電子與碳源，推動(dòng)硝酸鹽/亞硝酸鹽的完全還原，降低N2O生成。研究還發(fā)現，AOM-硝酸鹽還原可單獨由Methylobacter 啟動(dòng)，而AOM-亞硝酸鹽還原則依賴(lài)于多菌種協(xié)作及電子穿梭過(guò)程。這一發(fā)現不僅深化了對碳氮循環(huán)偶聯(lián)過(guò)程的理解，也為填埋場(chǎng)等溫室氣體排放源中CH4與N2O的協(xié)同控制提供了新的生物地球化學(xué)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(guò)程中的N2O排放動(dòng)態(tài)：(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(guò)程中CH4以及13CO2濃度的動(dòng)態(tài)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(yōu)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(wǎng)絡(luò )；(e)模塊0中與Methylobacter屬有關(guān)的微生物互作網(wǎng)絡(luò )。

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(zhù)減少N2O排放。其中硝酸鹽還原和亞硝酸鹽還原過(guò)程在耦合AOM后，大約降低了其N2O排放的37%。AOM耦合反硝化過(guò)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(guò)程中的功能菌為甲烷氧化菌Methylobacter與反硝化菌Methylophilaceae和Gemmatimonadaceae。AOM通過(guò)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(chǎn)生。AOM耦合硝酸鹽與亞硝酸鹽還原具有不同的微生物協(xié)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。