潮汐影响下河口湿地沉积物盐度梯度上硝酸盐还原途径及其相关微生物机制的动态变化

《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Dynamics of nitrate reduction pathways and associated microbial mechanisms along salinity gradients shaped by tidal influence in estuarine wetland sediments

　　

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  反硝化作用在河口湿地的硝酸盐还原过程中占主导地位。
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  盐度和潮汐通过功能性微生物共同调节氮平衡。
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  微生物的代谢发育决定了氮的去除和保留。
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  高盐区的裸露泥滩将成为氮去除的热点区域。

引言

长江口湿地位于世界第三大河与东海交汇处，受陆源输入和周期性潮汐淹浸双重影响（Zhou等，2025）。河源与潮汐输入的动态界面导致大量硝酸盐（NO₃^?）从陆地径流和海洋来源积累，驱动河口生态系统富营养化（Diaz和Rosenberg，2008；Gao等，2017）。作为沉积物中迁移性高的活性氮形态，NO₃^?是全球氮污染的主要贡献者（Kanter等，2020）。氮负荷升高进一步刺激微生物代谢，增强N₂O排放，加剧全球温室效应（Xie等，2015）。在缺氧条件下，沉积物中微生物对NO₃^?的还原作用决定了氮去除与保留之间的平衡，对长江口湿地的生态完整性具有深远影响（Steffen等，2015）。

河口湿地沉积物中动态的氧化还原梯度为硝酸盐还原创造了有利条件。本研究聚焦于水体中NO₃^?的直接还原，通过¹⁵N同位素示踪实验进行定量分析。NO₃^?的还原路径既决定了氮损失的程度，也影响了被去除氮的环境归宿（Neubacher等，2013）。需要指出的是，有氧微环境中铵氧化驱动的硝化-反硝化耦合过程也可能是有植被沉积物中重要的硝酸盐去除途径；然而，本研究未评估该过程，因为实验设计专门针对加入水体¹⁵NO₃^?的直接还原。在硝酸盐还原途径中，反硝化和厌氧氨氧化以N₂形式永久去除NO₃^?。反硝化还可产生NO或N₂O气体，从而缓解富营养化。而异化硝酸盐还原为铵（DNRA）则以NH₄⁺形式保留氮素，可能加剧富营养化（Robertson等，2016）。实证证据表明，含有硝酸盐还原功能基因（包括nirS和nirK（编码反硝化亚硝酸还原酶）、nosZI（编码N₂O还原酶）、nrfA（编码DNRA亚硝酸还原酶）和hzsB（编码厌氧氨氧化肼合成酶））的微生物群落的演替过程与环境胁迫下的氮转化密切相关（Damashek和Francis，2018；Wang等，2022）。

盐度和潮汐制度是塑造河口生态系统中沉积物细菌群落和植被分布的主要环境因素，从而也调节氮循环过程。先前研究表明，高盐度（>12 ppt）可能通过直接离子效应、抑制微生物活性和影响功能性微生物的渗透胁迫来抑制NO₃^?的还原（Santoro，2010；Zhou等，2017）。此外，周期性潮汐淹浸界定了潮间带湿地（Lewis等，2014）并产生了依赖高程的水文梯度（Xiao等，2012）。这些潮汐动态通过调节沉积物营养底物和电子供体的可用性来调控硝酸盐还原过程，并影响微生物代谢活性（Zheng等，2016）。然而，盐度和潮汐如何通过不同的微生物机制共同调节河口湿地沉积物中NO₃^?还原途径仍知之甚少。这一知识空白阻碍了对变化环境条件下氮保留与去除的预测。

在本研究中，我们在长江口湿地多个具有不同盐度和淹浸梯度的站点采集了沉积物样本。需要注意的是，该盐度范围属于寡盐至半盐水类别；因此，我们的研究结果对于评估盐水入侵的生态影响尤为相关，而非代表完整的河口盐度谱系。利用同位素配对技术和宏基因组分析，我们调查了河口沉积物中的潜在反硝化、厌氧氨氧化和DNRA速率以及相关微生物群落的多样性和组成。我们提出三个研究问题：（i）沉积物潜在NO₃^?还原速率如何沿盐度和淹浸梯度变化？（ii）哪些环境因素与主导NO₃^?还原途径相关？（iii）关键NO₃^?还原微生物的群落结构、功能基因丰度和代谢机制是什么？我们假设，由于较高的NO₃^?供应、对耐盐反硝化菌的选择以及无植被条件下可忽略的硝化-反硝化耦合，盐度和淹浸在高盐度裸露泥滩中共同促进水体NO₃^?的直接反硝化而非DNRA。

分节摘要

研究站点与样本采集

长江口（30°25′–31°38′N，121°50′–122°05′E）位于中国南北海岸线的中点，是中国最大的河口（图1a）。这一喇叭形河口长约86公里，面积约为8 500平方公里，拥有广阔的湿地，是本研究的研究区域。该地区气候为亚热带季风气候（年温差：6.7–28°C），年降水量约1 100毫米，主要集中在4月至9月（Wang等

沉积物特性

沉积物含水量范围为24.4%至48.1%，在高盐区达到最大值，其中高滩地显著高于低滩地和裸露泥滩（P < 0.05；图S1）。pH值和Fe²⁺/Fe³⁺比值随淹浸程度降低而升高（P < 0.05；图S1）。低盐区（0.52 ppt）的沉积物盐度显著低于中盐区（3.84 ppt）和高盐区（6.78 ppt）（P < 0.05；图S1）。在

潮汐和盐度梯度影响的NO₃^?还原过程动态

长江口湿地沉积物的潜在NO₃^?还原速率（23.84 ± 2.95 nmol N·g^?1·h^?1）与渤海、黄海北部（Zhang等，2018）及其他河口湿地（Li等，2021）发现的速率相当。反硝化作用在NO₃^?还原途径中占主导地位（60.6% ± 3.3%），其贡献随沉积物盐度和潮汐淹浸程度增加而显著提高（图2a）。较高的盐度和淹浸抑制了厌氧氨氧化过程（图2b），且

结论

我们的研究揭示，盐度和潮汐对河口湿地硝酸盐还原途径施加了不同但耦合的控制作用。盐度主要通过增加反硝化微生物的丰度和多样性，特别是富集关键基因nirK，增强了反硝化的主导地位，从而促进氮去除。相比之下，潮汐动态刺激了反硝化和DNRA，同时抑制了厌氧氨氧化，而这些途径之间的平衡由氧化还原条件调节

CRediT作者贡献声明

杨润涵：写作—审阅与编辑、验证、方法论、调查、概念化。王才涛：方法论、调查、概念化。李欢：方法论、调查、概念化。姬萌婷：写作—审阅与编辑、写作—初稿、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。张洪杰：方法论、调查、概念化。肖淑文：方法论、调查、概念化。曾金

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

数据可用性

数据已更新至国家组学数据百科（NODE）数据库，项目编号为OEP00006592（实验编号：OEX00032613）。数据可在以下链接获取：

https://www.biosino.org/node/experiment/detail/OEX00032613

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致谢

本研究受国家自然科学基金（U23A20153、U25A20639、32571838）、江苏省碳达峰碳中和创新研究计划（BT2024012）资助。

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