底物效应下尿素与铵盐对海洋硝化及N2O生成的相对贡献机制研究

本文系统探讨了海洋中尿素与铵盐浓度比例对硝化过程及N2O生成的调控作用，通过多海域实测数据与宏基因组分析，揭示底物比率（urea:NH4+）可预测尿素氧化对亚硝酸盐和N2O生成的贡献程度，为全球氮循环模型和温室气体排放评估提供关键理论依据。

　　

1 引言

硝化作用在全球氮循环中扮演核心角色，通过将氨（NH₃）氧化为亚硝酸盐（NO₂^?）并进一步转化为硝酸盐（NO₃^?），调控无机氮形态的分布。该过程不仅消耗氧气，还产生强效温室气体一氧化二氮（N₂O）。海洋中氨氧化主要由氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）驱动，其中AOA在多数海域占主导地位。近年研究发现，部分AOA具备直接氧化尿素的能力，尿素因此成为此前被忽视的亚硝酸盐来源。尿素在开阔海域的浓度常与铵盐相当甚至更高，其来源包括有机质矿化、浮游动物排泄及人类活动（如化肥输入）。

尿素氧化的发现修正了对海洋硝化路径的传统认知。已有研究在西北太平洋和南加州海盆观察到尿素氧化速率与铵氧化速率相当，但在佐治亚沿岸、墨西哥湾北部等区域则显著较低。这种空间差异可能与尿素和铵盐的浓度比例相关。此外，铵氧化是海洋N₂O的主要来源，但尿素氧化对N₂O生成的贡献仍缺乏直接证据。本研究通过切萨皮克湾的现场实验与全球数据整合，系统评估了尿素与铵盐对亚硝酸盐和N₂O生成的相对贡献，并探讨底物比例对AOA遗传特征的塑造作用。

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2 材料与方法

2.1 样品采集与测定

研究于2021年8月在切萨皮克湾4个站点（CB3、CB2、CB1.5、CB1.25）进行采样，覆盖从上游至下游的梯度环境条件。利用CTD采水器获取不同深度水体，测定铵盐（荧光邻苯二甲醛法）和尿素（二乙酰单肼法）浓度，检测限分别为0.1 μM和0.2 μM。N₂O样品通过顶空平衡-气相色谱同位素比值质谱法（GC-IRMS）分析，检测限为1.29 nM。

2.2 硝化与N₂O生成速率测量

选择3–4个代表性深度（含氧表层、中层氧跃层、底层低氧区），通过¹⁵N标记的NH₄Cl或尿素进行孵育实验，计算亚硝酸盐和N₂O生成速率。N₂O产率通过比较N₂O生成速率与底物氧化速率估算。

2.3 底物调控实验

在中层水体中添加铵盐（~2 μM）或尿素（~18 μM N），改变底物比例，分析其对硝化和N₂O生成的影响。

2.4 全球数据整合与宏基因组分析

编译全球海洋的铵氧化与尿素氧化速率数据，涵盖极地、寡营养海区、氧最低区（OMZs）等生境。通过宏基因组测序分析AOA的尿素酶基因（ureC）和氨单加氧酶基因（amoA）的覆盖度，评估其尿素利用能力。基因注释使用FunGene数据库， taxonomic分类依托Kraken2和BLASTn比对。

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3 结果与讨论

3.1 切萨皮克湾尿素与铵盐的贡献差异

铵盐浓度随深度增加（表层检测限至底层10 μM），而尿素浓度稳定在0.2–1 μM N。尿素在总氮池（尿素+铵盐）中的占比从表层的>80%降至底层的<25%。尽管尿素在底物池中占比中值达23%，其对亚硝酸盐和N₂O生成的贡献中值仅分别为1.8%和0.1%。最高贡献（24%）出现在CB2站11.5 m处，该位点尿素占比达92%，表明底物比例可能调控尿素氧化的相对重要性。

3.2 底物浓度与比例对硝化及N₂O生成的调控

铵氧化速率与铵盐浓度无显著相关性，尿素氧化速率与尿素浓度关系较弱，可能与氧气等共变因子有关。高铵盐抑制尿素氧化，如添加2 μM铵盐导致尿素氧化降低52–73%，N₂O生成降低42–52%。相反，高尿素添加对铵氧化影响微弱，仅CB2站N₂O生成下降54%，可能源于同位素稀释效应。尿素与铵盐的比例与尿素氧化:铵氧化速率比（R2=0.72）及N₂O生成比（R2=0.55）呈正相关，证实底物比例对代谢路径选择的调控作用。

3.3 全球海洋底物比例与氧化速率关系

全球数据表明，铵氧化速率随铵盐浓度升高（r=0.65），而尿素氧化与尿素浓度关系较弱（r=0.34）。尿素氧化:铵氧化比率与尿素:铵盐浓度比显著正相关（R2=0.66），极地海域除外。78%的观测显示铵氧化占优，但南加州海盆、南海等尿素占比>4的区域则尿素氧化更高。极地海洋虽尿素比例低，但尿素氧化占优，暗示本地AOA群落可能偏好尿素利用。

3.4 AOA尿素利用能力的生境分异

宏基因组分析显示，AOA的ureC:amoA覆盖率比在极地较高（北极0.28、南极0.35），高于佐治亚沿岸（0.16）。开阔洋区如北大西洋副热带涡旋，该比值达0.8，与高尿素比例和高尿素氧化速率一致。OMZs（如ETNP和ETSP）的ureC:amoA中值分别为0.53和0.33，提示尿素可能支撑该区域氮损失与N₂O排放。ureC:amoA比率与尿素:铵盐浓度比（R2=0.89）及尿素氧化:铵氧化速率比（R2=0.89）均呈正相关，表明底物比例通过塑造AOA遗传特征调控尿素代谢。

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4 结论与启示

本研究揭示尿素是海洋硝化和亚硝酸盐生产的重要底物，其相对贡献受尿素与铵盐浓度比例调控。底物比例进一步影响AOA群落的功能基因组成（ureC与amoA的丰度比），从而决定尿素氧化路径的活跃程度。尽管N₂O产自尿素与铵氧化的效率相近，但全球尺度下尿素对N₂O生成的贡献仍需更多观测。

研究提出的“底物比例-功能基因-过程速率”关联框架，为预测氮循环响应人类活动（如尿素施肥增加）提供了理论基线。未来需结合多因子（如温度、氧气）交互作用，深化对海洋氮循环及温室气体排放的机制理解。