河流反硝化过程中，N?O的产生以及受电子供体影响的新型一氧化氮还原酶

《Earth Critical Zone》：N 2O production and novel nitric oxide reductases influenced by electron donors during denitrification in rivers

N?O是重要的温室气体，其排放机制与去氮过程中电子供体的类型密切相关。本研究通过添加不同电子供体（乙酸、硫代硫酸盐、铁离子）和交替添加方式，分析其对河流中N?O产量的影响。结果显示，铁离子添加显著增加N?O排放（达添加硝酸盐的35%），这与化学去氮及cNor、qNor酶活性增强有关；硫代硫酸盐添加则降低N?O排放（仅0.12%），并富集eNor、nNor和sNor酶。稳定同位素分析表明，N?O的生成与还原同时存在，但供体类型影响主导路径。新发现Nor酶在Burkholderiales等菌属中广泛存在，可能成为河流N?O减排的关键靶点。

　　该研究探讨了在富营养化河流中，不同电子供体对一氧化二氮（N?O）生成的影响，以及与该过程相关的硝酸盐还原酶（Nor）的富集情况。N?O作为一种强效的温室气体，其对全球变暖和臭氧层破坏具有显著影响。研究团队通过实验设计，模拟了多种环境条件下的电子供体变化，分析了N?O的生成路径及其与微生物活动的关系。他们发现，电子供体的种类和添加顺序对N?O的生成具有重要影响，这为理解河流生态系统中氮去除过程提供了新的视角。

在实验中，研究者采用了五种不同的培养体系，分别添加了乙酸、硫代硫酸盐和亚铁离子等不同类型的电子供体。乙酸作为有机碳源，常用于模拟富营养化河流中的污染物；而硫代硫酸盐和亚铁离子则代表了可能的环境修复剂。这些电子供体的添加顺序和浓度也影响了N?O的生成情况。例如，在仅添加乙酸的培养体系中，N?O的浓度持续上升，达到最高值，这可能与电子供体不足有关，导致硝酸盐还原过程受限，从而促进N?O的积累。相比之下，硫代硫酸盐的添加则显著降低了N?O的浓度，并且与多种Nor酶（包括cNor、eNor、nNor和sNor）的富集有关。这种现象表明，硫代硫酸盐可能通过促进更高效的氮去除过程，减少N?O的排放。

此外，研究还发现，亚铁离子的添加会增加N?O的生成，这可能是由于化学脱氮作用和微生物活动共同作用的结果。尽管亚铁离子在自然水体中较为常见，但在实验中，其对N?O的影响显示出复杂的机制，涉及化学反应和微生物代谢路径。在无菌条件下，亚铁离子与硝酸盐的组合并未产生显著的N?O排放，但与亚硝酸盐的组合则表现出更高的N?O生成率。这表明，在某些情况下，化学脱氮可能比微生物脱氮更有效，但也可能带来更多的N?O排放问题。

研究还利用稳定同位素分析来追踪N?O的生成和减少过程。通过分析δ1?Nα、δ1?Nβ和SP-N?O的变化，研究团队能够区分N?O的生成与减少过程。在仅添加乙酸的体系中，δ1?Nα和SP-N?O持续上升，而δ1?Nβ则变化不大，这表明N?O的生成占主导地位。而在硫代硫酸盐添加的体系中，这些同位素信号的变化更加复杂，显示出N?O的生成与减少过程同时存在，且减少过程可能对同位素值产生较大影响。这种发现对于理解N?O在河流系统中的动态变化具有重要意义。

研究团队还对硝酸盐还原酶（NapA、NarG）、亚硝酸盐还原酶（NirK、NirS）和一氧化二氮还原酶（NosZ）进行了定量分析。结果显示，cNor和qNor在所有体系中都具有较高的相对丰度，而eNor、nNor和sNor则在不同电子供体条件下表现出差异性富集。这些新发现的Nor酶可能在某些特定的环境条件下发挥重要作用，尤其是在有机电子供体不足的情况下。此外，研究还发现，一些微生物群体，如Burkholderiales中的某些种群，不仅编码了这些新Nor酶，还在不同体系中表现出较高的表达水平。

在实验过程中，研究者通过DNA和RNA提取、宏基因组和宏转录组测序，以及基于已知数据库的比对分析，识别了不同Nor酶的分布情况。这种多组学方法不仅提供了对微生物群落结构的深入了解，还揭示了不同电子供体如何影响这些酶的表达和功能。研究结果表明，某些Nor酶可能在富营养化河流中扮演重要角色，特别是在氮污染严重、有机电子供体有限的环境中。

研究还探讨了不同电子供体对氮去除效率的影响。乙酸的添加能够显著促进微生物活动，提高氮去除速率，但同时也导致N?O的积累。相比之下，硫代硫酸盐的添加不仅提高了氮去除效率，还减少了N?O的排放，这可能与硫代硫酸盐的代谢路径和其对特定Nor酶的促进作用有关。然而，需要注意的是，硫代硫酸盐在某些情况下可能被转化为硫化氢（H?S），而H?S可能抑制N?O的进一步减少，甚至导致额外的污染问题。因此，在实际应用中，硫代硫酸盐的使用需要谨慎评估。

亚铁离子的添加则显示出其在氮去除中的双重作用。一方面，它能够支持化学脱氮过程，促进氮的去除；另一方面，它可能通过激活cNor和qNor等酶的活性，增加N?O的生成。这种矛盾的效应表明，亚铁离子在河流系统中的应用需要综合考虑其对环境的影响。尽管亚铁离子在某些情况下可能有助于氮去除，但其对N?O排放的潜在促进作用需要进一步研究。

研究团队还对不同培养体系中的微生物群落结构进行了分析。结果显示，某些微生物群体在特定条件下表现出更高的丰度和表达水平，这可能与它们对电子供体的偏好有关。例如，在仅添加乙酸的体系中，一些微生物种群如Planctomycetota、Alicycliphilus等表现出对乙酸的偏好，而在硫代硫酸盐添加的体系中，Giesbergeria等种群则更为活跃。这些发现不仅揭示了微生物群落对电子供体变化的响应机制，还为未来研究提供了新的方向。

总体而言，该研究通过系统分析不同电子供体对N?O生成和氮去除的影响，揭示了富营养化河流中微生物和化学过程的复杂相互作用。研究结果表明，硫代硫酸盐的添加可能是一种有效的氮去除策略，但其对N?O排放的影响仍需进一步评估。此外，研究还强调了新型Nor酶在河流系统中可能扮演的重要角色，这些酶的表达和功能可能对N?O的生成和减少产生显著影响。未来的研究可以进一步探讨这些酶的具体作用机制，以及它们在不同环境条件下的表现。