综述：关于回收废旧锂离子电池以控制环境污染物的基础研究

《Journal of Environmental Radioactivity》：Fundamental research on recycling spent lithium-ion batteries for environmental pollutant control

鄱阳湖湖滨湿地2022年夏季突发干旱条件下，通过静态箱法与稳定同位素技术测定发现，硝酸盐-和硝酸盐-厌氧甲烷氧化（DAMO）速率分别达8.73±3.79和16.03±7.45 nmol 13CO2 g?1 d?1，其中硝酸盐-DAMO贡献率52%～74%。宏基因组测序显示DAMO细菌（pmoA基因丰度4.7×10^4～1.1×10^6 copies g?1）比古菌（mcrA基因1.4×10^3～1.3×10^4 copies g?1）更活跃，温度、氮源及微生物丰度是主要驱动因素，揭示极端干旱通过改变湿地氧化还原条件与养分分配重塑DAMO过程，为甲烷减排与碳氮耦合机制研究提供新证据。

　　研究团队由来自中国河海大学的多位科学家组成，他们聚焦于气候变化引发的极端干旱事件对湿地生态系统中碳氮循环的影响，尤其是与厌氧甲烷氧化（DAMO）过程相关的微生物机制。通过在鄱阳湖沿岸湿地采集夏季极端干旱（FD）和冬季干旱期间的土壤样本，研究揭示了DAMO过程在不同干旱条件下的动态变化及其对温室气体减排的潜在贡献。研究还利用静态气室法和稳定同位素技术测定现场甲烷通量，并通过定量PCR、高通量测序和宏基因组测序等手段分析DAMO古菌和细菌群落的丰度、组成和代谢途径。这些方法为理解极端气候事件对湿地生态系统中碳氮耦合过程的影响提供了新的视角。

甲烷是一种重要的温室气体，其全球变暖潜力是二氧化碳的34倍。在过去250年间，大气中甲烷浓度已经超过了工业化前的两倍，并且每年以1.0-1.2%的速度持续上升。尽管甲烷排放量仅占温室气体总量的16%，但其对温室效应的贡献却高达22%。随着甲烷浓度的增加，其对气候变化的影响也在加剧。甲烷主要通过有机碳的厌氧分解产生，并在厌氧和好氧条件下被氧化为二氧化碳。湿地生态系统作为最大的陆地生物碳库和甲烷源，对全球甲烷排放贡献显著。因此，甲烷的厌氧氧化（AOM）过程在这些环境中扮演着关键角色，不仅有助于甲烷的减排，还对碳汇功能产生积极影响。

DAMO作为AOM的一种重要途径，通过将甲烷氧化与反硝化过程耦合，实现甲烷的消耗和氮素的去除。已有研究表明，DAMO占AOM的65.6%-100%，是主要的甲烷汇。然而，对于DAMO在淡水环境中的作用，尤其是与河流相连的湖泊沿岸湿地，其机制尚未完全阐明。鄱阳湖作为中国最大的河流相连淡水湖，其沿岸湿地在夏季极端干旱期间经历了显著的水位下降和长时间的干旱季节，导致湿地暴露面积扩大，主导植物——灰芦苇（Carex cinerascens）提前发芽。这种极端干旱事件对土壤的理化性质、碳氮底物的可利用性以及氧化还原条件产生了深远影响，进而改变了碳氮循环的结构，包括DAMO过程。

研究发现，在夏季极端干旱期间，DAMO的速率显著高于冬季干旱。其中，硝酸盐依赖型DAMO（nitrate-DAMO）和亚硝酸盐依赖型DAMO（nitrite-DAMO）分别达到了8.73±3.79和16.03±7.45 nmol 13CO2/g干土/天。硝酸盐依赖型DAMO主要由古菌Candidatus Methanoperedens nitroreducens驱动，通过逆转甲基辅酶M还原酶（Mcr）的催化反应，将甲烷完全氧化为二氧化碳，同时将硝酸盐还原为亚硝酸盐。而亚硝酸盐依赖型DAMO则由NC10门细菌Candidatus Methylomirabilis oxyfera介导，该过程涉及颗粒甲烷单加氧酶（pMMO）对甲烷的氧化，以及通过细胞内氧气生成机制逐步将亚硝酸盐还原为氮气。

在土壤理化性质方面，夏季极端干旱导致了显著的温度升高、硝酸盐和亚硝酸盐浓度增加，以及pH值的降低。特别是在灰芦苇相关土壤中，pH值比未受干扰的土壤更低，这可能影响了微生物群落的组成和活性。此外，土壤水分、有机质含量（LOI）、总氮（TN）和亚硝酸盐含量的变化也表明，极端干旱事件对土壤环境产生了复杂的影响。这些变化不仅影响了甲烷的通量，还可能对DAMO微生物群落的结构和功能产生深远影响。

研究还发现，夏季极端干旱期间，DAMO微生物的丰度和活性显著增强。例如，硝酸盐依赖型DAMO古菌的mcrA基因拷贝数（1.4×103至1.3×10? copies/g干土）远低于硝酸盐依赖型DAMO细菌的pmoA基因拷贝数（4.7×10?至1.1×10? copies/g干土）。这一结果表明，在DAMO过程中，细菌可能比古菌更为活跃。同时，DAMO微生物的多样性、组成和代谢途径也受到土壤理化性质的调控，包括水分、温度、硝酸盐和亚硝酸盐含量以及铁的氧化还原状态。因此，研究揭示了不同干旱条件下，DAMO微生物群落如何响应环境变化，从而影响甲烷的氧化和氮素的去除。

此外，研究还探讨了驱动DAMO过程的关键因素，包括温度、可利用的氮素底物以及微生物的丰度。这些因素在夏季极端干旱期间表现出更强的调控作用，可能与气候条件的变化有关。例如，较高的温度可能促进了微生物的代谢活性，而丰富的氮素底物则提供了更多的反应物，从而提高了DAMO的速率。同时，研究还发现，夏季极端干旱期间，灰芦苇相关土壤中的DAMO微生物可能与植物根系竞争吸收的营养物质，这可能进一步影响了微生物群落的结构和功能。

通过宏基因组技术，研究团队还重建了多个参与厌氧甲烷氧化和硝酸盐/亚硝酸盐还原的微生物基因组。这些基因组可能在DAMO过程中发挥协同作用，从而更高效地实现甲烷的消耗和氮素的去除。这一发现为理解极端气候事件下湿地生态系统中碳氮耦合机制提供了新的思路，同时也为未来研究提供了重要的数据支持。

研究结果表明，夏季极端干旱对DAMO过程的影响显著，不仅改变了微生物群落的组成和活性，还可能对甲烷的减排和氮素的去除产生深远影响。这种影响可能与极端干旱事件引起的土壤理化性质变化、植物生长模式的调整以及微生物代谢途径的重组密切相关。因此，未来的研究需要进一步关注极端气候事件对湿地生态系统中碳氮循环的长期影响，以及这些变化如何反馈到全球气候变化过程中。

此外，研究还强调了极端干旱事件对淡水湿地生态系统的重要性。由于这些湿地在气候系统中扮演着关键角色，其碳氮循环的变化可能对全球碳平衡和氮循环产生重要影响。因此，了解DAMO过程在极端干旱条件下的响应机制，不仅有助于评估湿地生态系统在气候变化背景下的功能变化，还为制定有效的碳氮管理策略提供了科学依据。特别是在全球变暖背景下，极端干旱事件的频率和强度可能进一步增加，这将对湿地生态系统的稳定性、生物多样性和生态系统服务产生更大的挑战。

综上所述，这项研究通过系统分析鄱阳湖沿岸湿地在夏季极端干旱和冬季干旱期间的DAMO过程，揭示了气候变化对碳氮循环的深远影响。研究结果不仅深化了对DAMO机制的理解，还为未来应对极端气候事件提供了重要的科学支持。同时，研究团队通过多种先进技术手段，为探索微生物在极端环境下的功能和相互作用提供了新的视角，也为相关领域的进一步研究奠定了基础。