《Journal of Environmental Management》：Labile carbon supply modulates H
2O
2-mediated N
2O emissions during sediment denitrification: Insights from metagenomics
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摘要活性氧物种，尤其是过氧化氢，是氮循环中至关重要却又复杂的调节因子。虽然已知过氧化氢会在异养反硝化过程中调控一氧化二氮的排放，但这种调控机制与易变碳源之间的相互作用仍不甚明了。本研究探讨了在河流沉积物中不同碳氮比条件下，外源过氧化氢梯度对一氧化二氮排放的影响。我们发现，添加易变
摘要
活性氧物种，尤其是过氧化氢，是氮循环中至关重要却又复杂的调节因子。虽然已知过氧化氢会在异养反硝化过程中调控一氧化二氮的排放，但这种调控机制与易变碳源之间的相互作用仍不甚明了。本研究探讨了在河流沉积物中不同碳氮比条件下，外源过氧化氢梯度对一氧化二氮排放的影响。我们发现，添加易变碳源（葡萄糖）显著拓宽了反硝化过程对过氧化氢胁迫的耐受范围，并改变了在49至1960微摩尔/千克干土浓度范围内一氧化二氮排放的剂量-反应关系。在碳限制条件下，过氧化氢在最初6小时内使累积一氧化二氮排放量减少了36.98%，这与I类完整基因组菌属以及缺乏至少一个上游模块的II类nosZ基因组菌属的相对丰度下降相一致。而在高碳条件下，添加过氧化氢则使累积一氧化二氮排放量比对照组增加了20.74%。宏基因组分析显示，反硝化相关基因和抗氧化基因（如katG、trxB）同时出现富集。这种基因潜力的富集与实际观察到的一氧化二氮积累现象之间存在矛盾，表明基因组能力与表型活性之间似乎存在脱节。这表明，尽管微生物群落具备反硝化的基因潜力，但急性氧化应激可能限制了最终的一氧化二氮还原过程。这些研究结果表明，易变碳源的供应与活性氧的产生共同作用，是引发短暂一氧化二氮脉冲的重要因素。本研究进一步阐明了过氧化氢在调控反硝化过程中产生的一氧化二氮排放中的作用。
引言
人类活动，尤其是农业施肥，已经严重扰乱了全球氮循环，导致大量活性氮进入水生生态系统，进而引发富营养化等环境问题（He等人，2011；Liu等人，2019）。在此背景下，河流沉积物作为重要的生物地球化学反应器，在维持生态系统健康方面起着关键作用，因为反硝化过程能够去除全球约66.1%的硝酸盐输入量（Beaulieu等人，2011；Deng等人，2024）。然而，反硝化过程往往伴随着中间产物一氧化二氮的产生与消耗（Zhu等人，2025），而一氧化二氮是一种强效的温室气体和臭氧消耗物质（Ravishankara等人，2009）。因此，阐明调控一氧化二氮产生与消耗平衡的机制，对于准确评估河流网络中温室气体的源汇动态至关重要。
传统上，氧气含量一直被视为反硝化过程中一氧化二氮排放的主要限制因素，因为一氧化二氮还原酶对氧气极为敏感，即使在微好氧条件下也会导致一氧化二氮的积累（Otte等人，1996；Quick等人，2019）。然而，最近的研究揭示了一个更为重要的调控因子：活性氧物种。在沉积物与水的交界处，频繁的氧化还原变化以及铁离子和有机物的存在，会通过类似芬顿反应以及生物机制，产生大量的活性氧，包括过氧化氢、羟基自由基和超氧自由基（Page等人，2013；Tong等人，2016；Liu等人，2024b）。其中，过氧化氢因其相对稳定性、较长的半衰期以及较高的现场浓度（在土壤中约为45.5至539.7微摩尔/千克）而尤为重要（Chen等人，2020；Van Erk等人，2023；Liu等人，2024a）。与持续存在的氧气不同，自然沉积物中的活性氧生成往往是短暂且间歇性的，会在降雨（Wei等人，2024）、地下水位变化（Tong等人，2016；Zhao等人，2022）或氧化爆发（Page等人，2013）等事件期间以脉冲形式出现。以往的研究大多侧重于使用清除剂（如过氧化氢酶）来抑制内源性活性氧，从而证实背景活性氧会抑制一氧化二氮还原酶的活性（Chen等人，2020、2023；Wu等人，2023；Yao等人，2024）。然而，仅关注内源性活性氧的消除，就会忽视外源性活性氧脉冲所带来的影响。目前尚不清楚反硝化过程如何应对这种突然的过氧化氢浓度升高。
这种响应的复杂性很可能受到有机碳供应量的影响，因为有机碳是异养反硝化过程的基本电子供体（Quick等人，2019；Zhang等人，2024b）。在无胁迫条件下，充足的易变碳源能够提高电子传递速率，从而促进硝酸盐的还原（Lin等人，2013；Li等人，2022）。但在活性氧胁迫条件下，易变碳源可能会引发生物学上的矛盾。一方面，碳源的添加会加速上游的还原步骤（硝酸盐/亚硝酸盐的还原），从而推动电子快速流动，同时为微生物的抗氧化防御系统提供必要的能量（Yang等人，2019；Carlson等人，2020）。另一方面，活性氧会通过使敏感的一氧化二氮还原酶失活，对下游的还原步骤造成特定的动力学瓶颈（Chen等人，2023；Wu等人，2023）。目前尚不清楚高水平的易变碳源是能够缓解活性氧的毒性，还是会使一氧化二氮还原过程更容易受到氧化抑制，从而导致一氧化二氮排放增加。
为填补这些知识空白，本研究在严格控制的厌氧条件下，通过实验室微型生态系统培养实验，研究了外源过氧化氢与碳氮比对反硝化速率的相互作用。我们结合高分辨率气体动力学分析与宏基因组分析，探讨了在氧化胁迫条件下，易变碳源如何影响微生物存活与氮还原效率之间的权衡。这些研究结果为理解易变碳源的促进作用与活性氧的抑制作用如何共同调控氮的源汇功能提供了生物学依据。
章节摘录
沉积物采样
本研究从中国西北部渭河的主流区域（北纬34°13′33.46″，东经108°1′13.09″）采集了河床表面沉积物（0–5厘米深度）。为确保样本的代表性，采用了混合采样策略，即使用重力采样器采集五个子样本，然后将它们充分混合，得到约2千克的混合样本。同时，还在同一地点采集了1升的表层水样。沉积物样本采集后
过氧化氢剂量对一氧化二氮排放的影响
外源过氧化氢的添加会引发一氧化二氮排放模式的变化，而这些变化又会受到系统中碳氮比的显著影响（见图1）。在碳限制条件下，该系统对氧化胁迫极为敏感。适度浓度的过氧化氢（49–98微摩尔/千克）会促进一氧化二氮的排放（见图1a）；但随着剂量增加到196–1960微摩尔/千克的范围，就会出现明显的抑制效应，使得一氧化二氮的排放量下降。而在高碳条件下，
易变碳源调控过氧化氢介导的一氧化二氮生成
易变碳源是调控异养反硝化过程中一氧化二氮排放的关键因素（Lin等人，2013；Wang等人，2025）。本研究发现，在相同的外源过氧化氢胁迫条件下，不同碳氮比会导致一氧化二氮排放轨迹出现差异。以往的研究多集中于内源性活性氧物种，认为过氧化氢是通过优先抑制一氧化二氮还原酶的基因表达或相关酶促反应，从而促进一氧化二氮的积累（Chen等人，
结论
本研究表明，易变碳源是调控沉积物中异养反硝化过程由过氧化氢介导的一氧化二氮排放的关键因素。以葡萄糖作为模型底物，我们发现，在碳限制条件下，过氧化氢主要作为一种氧化应激源，抑制完全反硝化菌以及携带nosZ基因的微生物群体，从而导致早期一氧化二氮排放量减少。相反，在高碳条件下，过氧化氢的添加则会促使
CRediT作者贡献说明
霍潘：概念设计、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、可视化处理、初稿撰写、修订编辑。李悦：概念设计、研究实施、方法设计。韩天一：概念设计、方法设计、可视化处理。张天一：正式分析、可视化处理。高鹏程：概念设计、资金筹集、方法设计、项目管理、资源协调、监督指导、修订编辑。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了陕西省农业农村厅的资助（项目编号：S202101010）。
Pan Huo|Yue Li|Tianyi Han|Tianyi Zhang|Pengcheng Gao
中国陕西省杨凌市西北农林科技大学资源与环境学院，邮编712100
