Language
Влияние подкисления на нитрификацию и связанные с ней выбросы закиси азота в устьевые и прибрежные воды

Блог

ДомДом / Блог / Влияние подкисления на нитрификацию и связанные с ней выбросы закиси азота в устьевые и прибрежные воды
search

Aug 25, 2023

Деградация пластика в океане способствует его закислению

Aug 27, 2023

Почему подкисление иногда необходимо при производстве вина

Aug 30, 2023

Австралийский стартап по выращиванию морских водорослей получил финансирование в размере 2,3 миллиона евро

Aug 26, 2023

Оптимизация использования азота для устойчивого производства свинины

Aug 23, 2023

Как извлечь углекислый газ из морской воды

Отправьте запрос
ПРЕДСТАВЛЯТЬ НА РАССМОТРЕНИЕ

Aug 21, 2023

Влияние подкисления на нитрификацию и связанные с ней выбросы закиси азота в устьевые и прибрежные воды

Nature Communications, том 14, Номер статьи: 1380 (2023) Ссылаться на эту статью 5487 Доступ 25 Подробности об альтернативных метриках В контексте повышения уровня углекислого газа (CO2) в атмосфере,

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1380 (2023) Цитировать эту статью

5487 Доступов

25 Альтметрика

Подробности о метриках

В условиях повышения уровня углекислого газа (CO2) в атмосфере подкисление эстуарных и прибрежных вод значительно усугубляется поступлением питательных веществ из суши, прибрежным апвеллингом и сложными биогеохимическими процессами. Таким образом, более глубокое понимание того, как нитрификаторы реагируют на усиливающееся закисление, имеет решающее значение для прогнозирования реакции эстуарных и прибрежных экосистем и их вклада в глобальное изменение климата. Здесь мы показываем, что подкисление может значительно снизить скорость нитрификации, но стимулировать образование побочного продукта закиси азота (N2O) в устьевых и прибрежных водах. Независимо изменяя концентрацию CO2 и pH, в условиях подкисления исключается ожидаемое положительное влияние повышенного содержания CO2 на активность нитрификаторов (эффект «CO2-удобрения»). Данные метатранскриптома также демонстрируют, что нитрификаторы могут значительно повышать экспрессию генов, связанных с внутриклеточным гомеостазом pH, чтобы справиться со стрессом, вызванным закислением. Это исследование подчеркивает молекулярную основу воздействия подкисления на нитрификацию и связанные с ней выбросы парниковых газов N2O, а также помогает прогнозировать реакцию и эволюцию эстуарных и прибрежных экосистем в условиях изменения климата и деятельности человека.

Содержание углекислого газа (CO2) в атмосфере увеличивается из-за интенсивной деятельности человека, такой как сжигание ископаемого топлива, производство цемента, вырубка лесов и другие изменения в землепользовании1. Во всем мире средняя концентрация CO2 в атмосфере сейчас достигла 413,2 частей на миллион и, как ожидается, к концу XXI века превысит 800 частей на миллион2,3. Примерно 40% выброшенного CO2 в индустриальную эпоху было поглощено океанами4, что привело к снижению pH поверхностной морской воды примерно на 0,1 единицы5,6. Дальнейшее снижение pH на 0,2–0,3 единицы оценивается в конце этого столетия, что будет иметь серьезные последствия для чувствительных организмов и экосистем6,7,8.

Устьевые и прибрежные экосистемы представляют собой динамичные регионы, находящиеся под влиянием рек, суши и океанов9, которые могут предоставлять жизненно важные экосистемные услуги для благосостояния человека10. Однако в условиях повышения уровня CO2 в атмосфере эстуарные и прибрежные воды страдают от более острого закисления, чем открытые океаны, под синергическим воздействием поступления питательных веществ с суши, прибрежного апвеллинга и сложных биогеохимических процессов (дополнительный рисунок 1). 11,12. Одной из величайших угроз устьевым и прибрежным экосистемам во всем мире является избыточное поступление антропогенных питательных веществ из водоразделов10. Производство фитопланктона, вызванное эвтрофикацией, может привести к высокой скорости дыхания в придонных водах, где оседают вещества, полученные из водорослей, что может вызвать сильное производство CO213. Таким образом, подкисление эстуарных и прибрежных вод может быть значительно усилено из-за эпизодического вторжения поднимающихся вод с высоким содержанием CO211,13,14, что может пагубно повлиять на биологические процессы и функционирование эстуарных и прибрежных экосистем15,16,17,18,19,20,21 .

Нитрификация является критическим процессом для баланса запасов восстановленного и окисленного азота, связывая минерализацию с путями удаления азота денитрификацией и анаэробным окислением аммония22. Таким образом, он играет решающую роль в глобальном круговороте азота, особенно в эвтрофных водных экосистемах. Из-за медленного роста нитрификаторов и их высокой чувствительности к воздействиям окружающей среды23 ожидается, что нитрификация будет нарушена закислением водной среды. Одной из сложностей в реакции нитрификаторов на подкисление является то, что увеличение парциального давления CO2 (pCO2) и снижение pH могут иметь противоположные эффекты. Ожидается, что более высокое значение pCO2 будет способствовать нитрификации, поскольку увеличение источника углерода может способствовать росту хемоавтотрофных нитрификаторов (CO2-удобрения)24,25,26,27. Напротив, сопутствующее снижение pH может сместить равновесие между аммиаком (NH3) и аммонием (NH4+) в сторону более низкой концентрации субстрата NH3, доступного для окислителей аммиака, и тем самым ингибировать нитрификацию25,28,29. Таким образом, реакция нитрификаторов сильно зависит от баланса этих потенциальных положительных и отрицательных эффектов. Однако мало что известно о влиянии прогнозируемых уровней закисления водной среды на метаболизм нитрификаторов и лежащие в его основе механизмы.

300-fold stronger radiative forcing per mole than CO2 and can react with ozone in the stratosphere34. N2O can be enzymatically produced by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) via conversion of hydroxylamine (NH2OH) to N2O35,36, or via nitrifier denitrification [a sequential reduction of nitrite (NO2−) to nitric oxide (NO) and N2O]35. Recently, the biotic conversion of NH2OH to N2O by AOB through the cytochrome P460 was also characterized36. In contrast, N2O emission associated with NH3 oxidation by ammonia-oxidizing archaea (AOA) is believed to result mainly from abiotic reactions between NH2OH and NO2− or NO32,37,38. Previous studies suggested that AOA produce lower yields of N2O than AOB during aerobic NH3 oxidation37,39. In addition, it has been documented that complete ammonia oxidizers (comammox) exhibit a lower N2O yield than AOB, as N2O originates rather from the abiotic conversion of NH2OH by comammox bacteria40,41. However, it is not yet clear how nitrifier N2O production will respond to aquatic acidification./p> 0.5; Fig. 5a), showing that the intracellular pH of the AOA may have also decreased with water pH./p>98 atom percent 15N, lower than 20% of ambient concentration) as a tracer and the accumulation of 15N in the NOx− (NO3− + NO2−) pools. During rate measurements, water pH was maintained stable via 0.2 M NaOH solution through the reactor’s acid–base automatic regulator, as protons (H+) can be released during the process of NH3 oxidation. Meanwhile, DO concentration was maintained saturated and pCO2 was maintained at the targeted level via a 100 mL h−1 gas flow, and the outflow gas was collected with gas sampling bags (Teflon®FEP, DuPont). Temperature was maintained at room temperature (25 °C) by an automatic heating plate and cold circulating water bath. During the incubation, pH, DO, and temperature were recorded in real time through the equipped pH sensor (Hamilton, Switzerland), DO sensor (Hamilton, Switzerland), and temperature sensor (Infors, Switzerland), respectively. The incubations were conducted in dark by covering the reactor tanks with opaque paper. Liquid samples (30 mL) were collected at the beginning and end of the 24 h incubation, with gas-tight syringes through a reserved sampling tube (clamped tightly after sampling) and filtered immediately (0.22 μm, Waterman). Part of the filtered water was used for measurements of NO3− and NO2−, while the other part was prepared for 15NOx− analysis using the “denitrifier method”67. In addition, another 30 mL water samples were collected for measurements of DIC, alkalinity, and pCO2. Meanwhile, gas samples were extracted using gas-tight syringes for CO2, N2O, and N2O isotope measurements. Before utilization, the reagent solutions were filter-sterilized (0.22 μm, Waterman), and the reactor tank and related materials were heat-sterilized (121 °C and 15 psi for 20 min) (the same below). All the experiments were conducted in triplicate. The nitrification rates were calculated using the following equation68:/p>98 atom percent 15N) was added to lower than 20% of ambient NH4+ concentrations. The carbonate chemistry was manipulated by steadily bubbling the water samples with 0.22 μm-filtered CO2 adjusted air (400 μatm for groups a and b, 800 μatm for groups c and d) while adjusting pH (7.8 for groups b and c, 8.1 for groups a and d) with sterile acid (0.1 M HCl) or base (0.2 M NaOH) solution via the reactor’s acid-base automatic regulator. Other reaction conditions (temperature, DO, gas flow rate, stirring speed, and dark condition) were the same as in the acidification experiments. Nitrification rates and N2O production rates were measured as described above during 24 h of incubation after equilibrium. All the experiments were conducted in triplicate./p>