潮汐循环条件下原油添加增强潮间带沉积物中温室气体产生并改变微生物群落结构

《Journal of Hazardous Materials》：Crude oil addition enhanced greenhouse gas production and altered microbial communities in tidal flat sediments under tidal cycling

　　

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  原油在所有潮汐制度下均增加了潜在的CH₄和CO₂产量。
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  从暴露到淹水沉积物，相对CH₄刺激效应逐渐下降。
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  在暴露和交替制度下，潜在N₂O下降，但在淹水条件下上升。
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  细菌反应最为强烈；没有网络属性与N₂O相关联。

引言

潮间带湿地是至关重要的蓝色碳汇，但其净气候效益仍不确定，因为碳储存在微生物介导的强效温室气体（GHG）排放下可能被削弱[1]。潮汐脉动造成动态的氧化还原振荡，支配着驱动这些温室气体通量的微生物代谢过程[2]。这一平衡日益受到人为压力的破坏，尤其是来自开采、运输和泄漏的慢性及急性原油污染，后者向沿海沉积物中注入了大量烃类负荷[3]。在中国，1974年至2018年间，沿海生态系统中记录了117起涉及≥50吨的海上溢油事件；该清单包括造成灾难性后果的1.37×10⁵吨"桑吉"轮事故（图S1；[4]）。这些事件在沉积物档案中留下了大规模且持久的烃类遗留，对河口和沿海生态系统的生物地球化学功能构成持续威胁。因此，了解烃类污染如何与动态潮汐环境相互作用以调控温室气体产量，对于评估沿海石油污染的气候风险至关重要。

以往研究表明，原油污染可显著改变河口和沿海沉积物中的温室气体产量，但已有报告主要偏向于甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂），后者在各种生态系统中均受到持续刺激，原因是烃类衍生的活性碳增强了缺氧微环境下的有氧呼吸（CO₂）和产甲烷作用（CH₄）[5]、[6]。相比之下，N₂O的反应仍缺乏充分表征且结果矛盾——从河口湿地的抑制作用[7]到沿海湿地的增强作用[8]——表明其具有强烈的环境依赖性。关键的是，几乎所有这些实验均在静态或单一条件设置下进行，忽视了潮汐脉动所施加的动态氧化还原波动，而后者是潮间带沉积物中微生物代谢的主要驱动因素。即使是少数同时测量多种温室气体的研究[9]，也没有系统比较不同的潮汐制度（暴露、交替和淹水），使得原油污染与潮汐动态对联合CH₄、CO₂和N₂O排放的交互作用几乎尚未探索。这一空白严重限制了我们对现实世界中沿海湿地石油污染净气候反馈的预测能力，尤其对于约束不足的N₂O预算而言。

潮间带沉积物中的微生物群落是支撑沉积物生物地球化学的耦合碳氮转化的关键调控者[10]。潮汐循环造成强烈的流体力学和氧化还原波动，重塑微生物群落组成和代谢潜力[11]，淹没频率和持续时间作为主要选择力量，改变群落组装和共存网络复杂性[12]。原油污染对这些微生物组施加多方面干扰，以往研究已证实烃降解类群的富集以及与产甲烷作用、反硝化作用和烃类分解相关的功能基因上调——包括Methanosarcina、Geobacteraceae、nirS、nosZ、amoA以及烷烃/芳香烃降解基因[5]、[8]、[13]。然而，这些研究几乎完全针对细菌和古菌群落，而真菌在受石油影响的潮间带沉积物中的反应却相对鲜有关注，尽管其在有机物分解和污染物转化中的作用已得到确立[14]。此外，几乎所有现有实验均在静态或单一条件设置下进行，从而忽视了潮汐脉动所施加的动态氧化还原振荡——这是潮间带的主要环境驱动力。尽管已知原油可大幅重组微生物共存网络[15]，但尚无研究系统比较不同潮汐制度下的界域特异性网络拓扑变化，更未直接将这些网络属性与综合温室气体产量联系起来。因此，迫切需要建立一个界域特异性机制框架，明确区分细菌、古菌和真菌的不同调控作用——同时纳入潮汐动态和网络架构——以预测沿海湿地石油污染的净气候反馈。

综合而言，以往研究表明，添加原油对沉积物温室气体产量的影响取决于潮汐水文学所施加的氧化还原和生物地球化学条件[5]、[7]、[8]。然而，由于细菌、古菌和真菌对碳氮循环的贡献不同[11]、[14]，它们对石油污染和潮汐循环联合效应的不同反应如何转化为CH₄、CO₂和N₂O潜在产量的差异，至今仍缺乏充分解决。基于这些知识空白，我们提出以下工作假设：(1) 潮汐制度将通过改变氧气可获得性、氧化还原条件和电子受体供应来调节石油诱导的CH₄、CO₂和N₂O潜在产量；(2) 添加原油将重塑细菌、古菌和真菌群落，且这些反应的幅度在不同潮汐制度和微生物界域间存在差异；(3) 微生物共存网络属性与潜在温室气体产量相关联，且这些关联在不同微生物界域间存在差异。为检验这些假设，我们进行了一项240天的微宇宙实验，模拟暴露、交替和淹水潮汐制度，并设置添加与不添加原油的对照。我们整合了生物地球化学通量测量、高通量测序和微生物共存网络分析。本研究旨在量化石油与潮汐对温室气体产量的交互作用，表征界域特异性微生物反应，并揭示群落网络属性与温室气体产量之间的机制联系。通过超越描述性生态学，本研究提供了一个新颖的界域特异性微生物调控框架，挑战了均质功能黑箱范式，为评估沿海石油污染的气候反馈提供了预测性机制基础。

章节摘要

沉积物培养实验

微宇宙实验所用沉积物于2023年9月采集自青岛胶州湾国家海洋公园一处无明显石油污染的泥滩（36.174 °N, 120.166 °E；图S2a；表S1）。去除表面碎屑后，采集表层沉积物（0–5 cm），混合并储存于厌氧冷冻箱中。运至实验室后，将沉积物与适量去离子水混合，充分搅拌并

添加原油显著改变了上覆水和沉积物性质

添加原油显著改变了沉积物和上覆水性质，而潮汐制度也产生了变量特异性效应（图1；表S2）。添加原油显著增加了沉积物pH、有机碳（TOC、EOC和DOC）、TOC:TN比值以及硫化物含量，但降低了上覆水溶解氧（p<0.05）。与交替制度相比，淹水制度下上覆水溶解氧显著更低，pH显著更高（p<0.05）。

双因素方差分析显示

讨论

这项240天的微宇宙实验揭示了原油污染对潮间带泥滩沉积物蓝色碳功能的破坏性影响。我们展示了一个反直觉的、CH₄产量特有的逆转刺激梯度，即添加原油诱导的相对刺激效率沿暴露–交替–淹水梯度急剧下降。最引人注目的是，暴露制度下的累积CH₄产量飙升了3,746.3±525.4%。网络分析揭示了一个

结论

本研究证明，原油污染可能通过将微生物代谢转向增强的温室气体潜在产量，从而损害潮间带泥滩的蓝色碳功能。添加原油在所有潮汐制度下均刺激了CH₄和CO₂产量，其中CH₄增幅在暴露制度下最为剧烈。相比之下，N₂O仅在淹水沉积物中受到刺激。值得注意的是，CH₄的刺激效率沿暴露–交替–淹水梯度急剧下降，

CRediT作者贡献声明

牛新月：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，软件，形式分析，数据整理。田东帆：撰写–初稿，形式分析，数据整理。沈秋宇：形式分析，数据整理。李明：调查。盛立邦：调查。郭鹏：概念化。王子豪：资源，概念化。张怡威：资源，概念化。林宪彪：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，软件，

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（编号：42371104）联合资助。感谢编辑和匿名审稿人对该稿件提出的宝贵意见。

意义声明

沿海湿地是至关重要的蓝色碳汇，但原油污染构成日益增长的威胁。1974年至2018年间，中国沿海经历了117起溢油事件（≥50吨）。然而，石油如何在潮汐制度下改变联合CH₄、CO₂和N₂O产量，以及细菌、古菌的

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