氧化亚氮（N₂O）是一种强温室气体，对臭氧层具有强破坏性。其中反硝化过程是水体生态系统中N₂O的主要来源之一。多种形式的有机化合物是异养反硝化过程的电子供体，然而，碳源对反硝化过程中N₂O生成、N₂O还原、同位素分馏和功能微生物的影响仍不清楚。此前研究者试图基于同位素分馏技术阐明生态系统水平上的N₂O产生途径，但机理研究大多停留于纯菌实验，无法应用到自然环境中。虽有研究探索了碳源如何影响微生物群落构建，但碳源与N₂O转化物种与功能酶之间的关系尚未得到证实。
北京大学环境科学与工程学院籍国东教授课题组以五种碳源为底物富集淡水沉积物中的反硝化微生物，以乙炔为N₂O还原抑制剂建立了抑制组和对照组，利用以酶和以基因组为核心的宏基因组技术明确了功能酶与微生物。结果表明，乙炔能有效抑制N₂O还原且不会影响N₂O生成，乙炔可以帮助明确N₂O产生过程中的同位素分馏特征。葡萄糖富集物中N₂O的产生量和还原量最小，这与该富集中一氧化氮（NO）和N₂O还原酶的丰度最低一致。研究利用N₂O的δ¹⁵N、δ¹⁵N^α、δ¹⁵N^β、δ¹⁸O和位点偏好值SP（=δ15N^α-δ¹⁵N^β）区分不同碳源，结果表明δ¹⁸O和SP值对五种碳源指征最灵敏。其中，纤维二糖富集产生的N₂O的δ¹⁸O值最低（39.4‰±1.1‰），这是由于嗜脂环菌携带的NO还原酶cNorB和qNorB引起的。葡萄糖富集物中SP值最高（8.9‰±8.6‰），是硫杆菌携带的cNorB引起的。研究结果揭示了不同碳源对异养反硝化过程中氧化亚氮生成的影响，建立了电子供体、同位素、个体微生物与功能酶之间的联系。

图1 水体环境中碳源、N₂O排放、同位素、个体微生物与酶的联系
该研究成果以“Influences of carbon sources on N₂O production during denitrification in freshwaters: Activity, isotopes and functional microbes”为题近日在线发表在Water Research刊物上。2017级博士生李盛结为该文第一作者，籍国东为通讯作者。
此前，课题组在Environmental Pollution和ACS ES&T Water期刊上发表了反硝化过程中无机电子供体硫、铁对N₂O排放的影响。研究结果表明，水体环境中硫输入会显著增加N₂O排放量，长期添加硫化物后N₂O的累积量比未添加硫化物的N₂O累积量高12.9倍，培养过程中参与硫氧化过程和卡尔文循环的功能酶富集，表明了碳、氮和硫循环过程之间的耦合关系。另外，在铁驱动的微生物反硝化过程中，观察到N₂O的δ¹⁵N^β值维持恒定的情况，铁驱动的化学反硝化过程中没有出现这种现象，该现象可以作为原位研究中铁驱动的微生物N₂O生成的标志，并可以区分铁在氮循环中的非生物和生物作用。长期硫输入下从细胞色素c获取电子的NO还原酶（cNorB）丰度增加，从喹诺酮类获取电子的NO还原酶（qNorB）丰度降低；长期铁输入下则相反，qNorB比cNorB更重要，表明了不同电子供体驱动N₂O产生过程的不同分子机制。

图2 长期硫输入下反硝化过程中N₂O产生机制


图3 铁输入对N₂O同位素分馏的影响
该系列研究工作受到国家重点研发项目（2019YFC0409200）和国家自然科学基金创新群体基金（51721006）的资助。
论文信息及链接：
Li, S., Wang, S., Ji, G.*, 2022.Influences of carbon sources on N₂O production during denitrification in freshwaters: Activity, isotopes and functional microbes.Water Research 226, 119315.DOI:https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119315
Li, S., Pang, Y., Ji, G.*, 2021. Increase of N₂O production during nitrate reduction after long-term sulfide addition in lake sediment microcosms. Environmental Pollution 291, 118231.DOI:https://doi.org/10.1016/j.envpol.2021.118231
Li, S., Wang, S., Pang, Y., Ji, G.*, 2022. Influence of electron donors (Fe, C, S) on N₂O production during nitrate reduction in lake sediments: Evidence from isotopes and functional genes. ACS ES&T Water 2(7), 1254-1264.DOI:https://doi.org/10.1021/acsestwater.2c00104