陆源氮输入对滨海湿地硫酸盐型甲烷厌氧氧化过程的影响研究

Sulfate-dependent anaerobic methane oxidation (S-AMO) is the most important pathway of methane consumption in the near-shore environment. In recent years, inputs of terrestrial nitrogenous pollutants to near-shore ecosystem have increased continuously, and eutrophication is becoming more and more serious. This might cause competition/coexistence relationship between S-AMO and nitrite (or nitrate)-dependent anaerobic methane oxidation (N-AMO), resulting in the change of methane source/sink balance in the coastal ecosystem. In this study, sediment profile samples will be taken from Dandinghe Nature Reserve in Northern Jiangsu, China. The concentrations of CH4 and SO42-, and the carbon isotope composition of ΣCO2 and CH4 in the pore-water of sediment samples, will be determined to investigate fundamental features of sulfate-dependent anaerobic methane oxidation. Meanwhile, anaerobic incubation will be conducted to study the effects of different forms of inorganic nitrogen on anaerobic methane oxidation rates in the sulfate-methane transition sediment. On this basis, long-term in situ experiments will be conducted to analyze variation of S-AMO and succession of functional microorganism under terrestrial nitrogen input that is simulated by artificial fertilization, and clarify the interactional mechanism between S-AMO and N-AMO. This study will be highly valuable to further understand N biogeochemical processes in coastal ecosystem in China and their ecological influences.

近海环境中，以SO42-为电子受体的甲烷厌氧氧化是甲烷消耗的重要形式。近年来，陆源氮输入到近海系统的数量持续增加，富营养化日益严重。这导致近海湿地中以NO3-/NO2-为电子受体的甲烷厌氧氧化可能与硫酸盐型甲烷厌氧氧化形成竞争/共存机制，从而改变了近海系统的甲烷源汇平衡。本项目以江苏盐城珍禽自然保护区滨海湿地为研究对象，通过分析沉积物剖面的CH4、SO42-等地球化学指标，研究该对照湿地中硫酸盐型甲烷厌氧氧化作用的基本特征。同时，通过室内培养试验，研究不同形态氮对该湿地中甲烷厌氧氧化活跃发生层的影响效应。在此基础上，设置野外原位定点试验，通过人工长期添加无机氮模拟陆源氮输入，解析沉积物剖面中硫酸盐型甲烷厌氧氧化的变化规律及其相关菌群的演替特征；分析硫酸盐型/反硝化型甲烷厌氧氧化之间的相互影响机理。为深入了解我国近海生态系统的生物地球化学过程及其生态学意义提供科学依据。

SO42-型甲烷厌氧氧化作用是海洋环境消减甲烷的主要方式。滨海湿地毗邻陆地，陆源输入的NO3-和NO2-日益增加。本项目旨在阐明滨海湿地中以NO3-/NO2-为电子受体的反硝化型甲烷厌氧氧化与SO42-型甲烷厌氧氧化之间的相互关系。研究发现，滨海湿地植被区和光滩区0-100 cm剖面中SO42-浓度随深度增加而递减，而CH4浓度随深度增加而递增，在70-90 cm处形成硫酸盐-甲烷过渡带，即为甲烷厌氧氧化速率最大发生层。三种形态无机氮(NO3-、NO2-、NH4+)均显著抑制了甲烷厌氧氧化速率，而SO42-则显著提高了甲烷厌氧氧化速率。说明在滨海湿地中硫酸盐型甲烷厌氧氧化过程受到SO42-底物浓度供应的限制，而外源氮输入则抑制了硫酸盐型甲烷厌氧氧化过程。不仅如此，模拟氮输入显著降低了滨海湿地甲烷厌氧氧化过程中甲烷碳同化进入土壤有机碳的数量，抑制了该过程的固碳潜力。揭示了陆源氮输入不仅抑制了甲烷厌氧氧化过程中甲烷转化为CO2的异化过程，同时也抑制了甲烷转化为土壤有机碳的同化过程。模拟氮输入条件下，ANME-2和ANME-3相对丰度的增加幅度变小，而添加SO42-则显著促进两者的增加幅度。揭示了ANME-2和ANME-3相对丰度变化是芦苇湿地和光滩湿地中甲烷厌氧氧化速率发生变化的微生物机理。研究还发现，除了SO42-、NO3-、NO2-之外，N2O也可作为电子受体促进滨海湿地甲烷厌氧氧化作用，其速率介于NO3-和NO2-型甲烷厌氧氧化速率之间，该过程对于缓解全球气候变暖具有重要意义。湿地土壤中的腐植酸可作为电子穿梭体，促进甲烷厌氧氧化过程中产生的电子传递到N2O还原过程的靶位点，大大促进了两个过程的耦合作用。而腐植酸对NO3-和NO2-型甲烷厌氧氧化过程具有不同的影响效应。上述结果为深入了解陆源氮日益严重背景下滨海湿地甲烷厌氧氧化的演变特征及生态效应提供了科学依据。