贫营养海洋透光层中尿素驱动硝化作用对N2O生产的贡献及其对酸化的响应

《The ISME Journal》：Urea-driven nitrification contributes to N2O production in the oligotrophic euphotic ocean

本研究针对寡营养海洋中尿素作为重要替代氮源参与硝化作用，但其对N2O产生的贡献机制尚不明确的问题，通过结合N2O同位素体分析、15N标记培养和宏基因组学技术，揭示了西热带太平洋透光带尿素驱动硝化作用对N2O生产的定量贡献及pH调控机制。研究发现古菌硝化贡献了69.6%的N2O来源，尿素氧化贡献了14-41%的硝化作用和21-39%的N2O产量；酸化实验表明pH下降抑制铵氧化却促进尿素氧化，并改变N2O生成路径。该研究为海洋氮循环模型纳入尿素氧化路径提供了关键参数，对预测酸化和境下海洋N2O通量具有重要意义。

　　

在浩瀚的海洋中，氮元素如同生命交响乐的音符，调控着全球约一半海域的初级生产力。然而寡营养海域的铵盐浓度低至纳摩尔级别，这给依赖铵盐的硝化微生物出了道难题。令人费解的是，在阳光充沛的透光层中，氨氧化古菌（AOA）的数量远超亚硝酸盐氧化菌，却能维持着活跃的硝化作用。这个矛盾暗示着AOA可能掌握着利用替代氮源的秘密武器——尿素。

尿素这种看似普通的化合物，在海洋氮循环中扮演着关键角色。它既能被微生物直接水解产生氨，也能通过间接途径释放铵盐。但尿素是否以及如何参与海洋N₂O——这种强效温室气体的生成，在开阔大洋中仍是个未解之谜。更复杂的是，日益加剧的海洋酸化如同无形的调色师，正在改变海洋化学环境，可能重塑硝化微生物的代谢路径。

为了解开这个谜团，由孙军教授领衔的研究团队深入西热带太平洋，开展了一项多学科交叉研究。他们发现，在这片蓝色荒漠中，尿素驱动的硝化作用竟然贡献了相当比例的氮转化过程和温室气体排放，而且其对酸化的响应与传统铵氧化路径截然不同。这项发表于《The ISME Journal》的研究，为我们理解海洋氮循环提供了新的视角。

关键技术方法包括：通过¹⁵N标记培养量化铵和尿素驱动的硝化速率及N₂O产率；利用N₂O同位素体（δ¹⁵N^bulk-N₂O、δ¹⁸O-N₂O和位点偏好）进行来源解析；结合宏基因组测序鉴定功能基因和微生物群落；采用定量PCR分析功能基因丰度变化；应用Keeling图和贝叶斯混合模型校正大气混合效应。

Source of N₂O in the euphotic zone

研究区域呈现出典型的寡营养海洋特征，铵和尿素浓度均处于较低水平。N₂O浓度随深度增加而升高，与溶解氧呈相反趋势，且在初级亚硝酸盐最大值层出现快速累积，暗示着硝化作用的贡献。同位素示踪显示，在表层以下水体中，微生物生产是N₂O的主要来源。通过稳定同位素混合模型计算，AOA介导的硝化作用贡献了69.6±14.1%的N₂O来源，证实其在寡营养海域的主导地位。

Nitrification rates and N₂O production rates driven by different substrates

铵和尿素驱动的硝化速率均随深度增加而升高，最大铵氧化速率（3.19 nmol L^-1d^-1）高于尿素氧化速率（0.89 nmol L^-1d^-1）。深度积分分析显示，尿素驱动硝化贡献了14.2%-40.7%的总硝化作用，尿素驱动N₂O生产贡献了20.6%-38.8%的总N₂O产量。环境底物比例调控路径分配，当尿素相对于铵更易获得时，系统向尿素驱动路径转变。

Unique response of nitrification rates and N₂O production rate of different substrates to ocean acidification

酸化处理（ΔpH=0.22±0.03）引发了截然不同的响应：铵驱动硝化被抑制21.9%，而尿素驱动硝化却增强61.9%。与之相反，两种底物驱动的N₂O产率均呈正反馈（分别增加35.9%和38.0%）。酸化还改变了N₂O同位体组成，铵氧化中杂合N₂O（⁴⁵N₂O）比例增加，而尿素氧化中双标记N₂O（⁴⁶N₂O）比例上升，表明pH变化调控了氮中间产物的细胞内分配。

Metagenomic evidence supports potential archaeal urea oxidation and N₂O production

宏基因组分析揭示了尿素利用基因（ureABC）在寡营养水域的富集。AOA是优势硝化微生物（相对丰度>78%），比较基因组显示超过58%的AOA/AOB物种同时含有氨单加氧酶和脲酶基因。从全球分布来看，尿素型AOA广泛存在于热带、亚热带甚至极地海洋，其相对贡献与环境尿素/铵比例相关。

Effects of microbial diversity and community structure to ocean acidification

酸化处理未显著改变硝化微生物群落的α多样性或整体组成，但提高了网络复杂性和AOA与其他微生物的互作频率。随机森林分析显示ASV_6（主要为Ca. Nitrosopelagicus sp.）的相对丰度在酸化下从61.7%增至77.4%，表明特定AOA类群对酸化环境具有适应性。

Mechanisms of nitrification and N₂O production driven by microbial substrate preference

铵和尿素驱动硝化对酸化的差异响应支持尿素直接氧化路径的主导地位。pH下降导致NH₃可用性降低，但通过细胞内pH稳态机制，尿素型AOA能维持尿素氧化活性。酸化通过改变羟胺（NH₂OH）、NO和硝酰（HNO）等中间产物的化学行为，调控酶促和非酶促N₂O形成路径的平衡。

这项研究首次系统阐明了寡营养海洋透光层中尿素驱动硝化作用对N₂O生产的定量贡献及其对酸化的响应机制。研究发现尿素路径贡献了不可忽视的氮转化和温室气体排放份额，且其对酸化的正反馈可能部分抵消铵氧化的负响应。全球分布的尿素型AOA表明这一过程具有广泛生态意义。研究建议地球系统模型应将尿素和铵氧化作为独立路径，并考虑pH敏感的产率参数，以改进海洋硝化和N₂O通量的未来预测。该研究为理解全球变化背景下海洋氮循环的响应提供了新范式，对评估海洋温室气体收支和气候变化反馈具有重要科学价值。