科研 | The ISME Journal：微生物对一氧化二氮的消耗位于海洋中生产一氧化二氮的中层及表面区域
编译：Rivc，编辑：木木夕、江舜尧。
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海洋是N2O的净来源，N2O是有效的温室气体和臭氧消耗剂。但是，通过微生物消耗N2O来去除N2O的限制很有限，并且测量速率仅限于缺氧水。本研究将N2O消耗量的测量从缺氧区域扩展到其上方的具有陡峭梯度的含氧层，并首次通过实验确定含氧和缺氧海水中的动力学参数。研究发现含氧水中消耗N2O的微生物的底物亲和力，O2耐受性和群落组成与下面的缺氧层中的微生物不同。此处确定的动力学参数用于模拟原位N2O产生和消耗速率，估计的原位速率与测得的速率不同，这证实了预测N2O循环时必须考虑动力学的必要性。含氧层中的微生物在缺氧条件下消耗N2O的速度要比来自缺氧区的微生物快得多。这些实验结果与模型结果吻合，模型结果表明N2O消耗可能发生在缺氧区（ODZ）上方。因此，在ODZ上方具有陡峭梯度的O2和N2O梯度的动态层是以往研究忽略的N2O潜在消耗层，应在海洋N2O预算中予以考虑。
论文ID
原名：Microbial N2O consumption in and above marine N2O production hotspots
译名：微生物对N2O的消耗位于海洋中生产N2O的中层及表面区域
期刊：The ISME Journal
IF：9.180
发表时间：2020.12
通讯作者：Xin Sun
通讯作者单位：美国普林斯顿大学
试验设计
结果
在ETNP OMZ的三个样点确定了潜在的N2O消耗率（以下称“测得率”）（2018年3月）（图1a）。在标准站PS1（在OMZ的西边缘），PS2（公海站）和PS3（沿海站）对标准液中添加的最终浓度为50 nM的（15N）O2示踪剂进行了改良，以改善缺氧条件。在不同深度下，测得的N2O消耗速率从零到5.1 nM d-1不等（图1c， f）。缺氧水中的测得速率与先前在ETNP中测得的速率相同数量级，但低于该研究中一个沿海站点的速率，表明N2O循环的高变异性。值得注意的是，大量的N2O消耗率在无氧培养中也进行了测量，甚至在含氧表面海洋收集的样品中也是如此，其中存在消耗N2O的微生物并转录了nosZ基因（图1d，g，j）。在从60 m采集的样本中检测到PS2站点的最大速率，其中原位O2为173.9μM。在去除氧气的地表水中测得的N2O消耗速率与ODZ中测得的速率相似或更大。在与ODZ层相同N2O和O2浓度下，有氧层中的消耗率较高，这可能是由于与较深的ODZ层相比，在较浅的深度处有更多的可用溶解有机物或存在不同的微生物群落。含氧地表水中消耗N2O的微生物至少与ODZ中的一样丰富（图1d，g，j）。在ETNP的3个样点，ODNP的1个样点中，在ODZ上方的含氧水中检测到各种N2O微生物。在ETNP中，RNA水平上的nosZ微生物的群落组成，有氧水和ODZ水之间存在差异（图2b）。检测到ETNP OMZ的氧化层和含氧表面海水中的样品中N2O消耗以及所有三个主要OMZ中都存在消耗N2O的微生物（图2a），这表明ODZs上方的氧化层中的微生物具有至少在缺氧条件下消耗N2O的能力。
确定消耗N2O的微生物的O2耐受性，通过在一定范围的O2条件下孵育海水并使用光学O2传感器测量与每种速率对应的O2浓度。当O2最低时，N2O消耗率最高（图3）。在含氧海水样本中进行缺氧培养时，测得的比率最高（图3b，c和表S3），这些速率远高于从同一站的缺氧深度采集的样品中测得的速率（图3d–g）。这些结果表明，当条件变为缺氧时，在有氧层中发现的消耗N2O的微生物比厌氧生物具有更快地代谢N2O的潜力（图1d，g，j）。在PS1和PS3，较高的N2O消耗潜力也对应于在有氧层中较高的nosZ基因拷贝数（图1d，j）。 N2O消耗随着含氧量的增加，含氧海水样品中的比率急剧下降，这表明含氧海水中消耗N2O的微生物（图3a–c）比含氧海水中的微生物对氧的敏感性更高（图3d–g）。尽管在高氧气浓度下氧化层样品中的N2O消耗并未发生，但是从有氧原位条件转变为无氧培养条件后迅速开始（≤1天）。响应速度之快可能是由于消耗N2O的微生物的生长，快速酶（N2OR）的翻译，或者是在采样之前在含氧海水中已经翻译过的N2OR的响应。结果表明N2OR在有氧条件下没有活性，但此处（图1d，g，j）获得的分子数据表明，nosZ RNA和N2OR都可以在有氧条件下合成。这种现象也出现在其他环境中，不管快速反应的机理如何，结果表明，含氧海水中的微生物具有消耗N2O的遗传潜力，其消耗不受有机物供应的限制（原位受有机物限制会阻止观测到的速率增加）。增加N2O浓度（图4a–c），并且它们可以在缺氧条件下消耗N2O。这些缺氧条件可能在其他含氧水中小规模发生。
在没有O2的培养中，N2O消耗的实测Km值（Michaelis–Menten曲线的半饱和常数）（图4）在每个站和深度处都超过原位N2O浓度（图1b，e，h），表明原位N2O浓度太低而无法饱和N2O消耗率。值得注意的是，在去除氧气后，氧化层中潜在的最大N2O消耗速率远高于同一站点的ODZ中的最大消耗速率（图4），并且在有氧和无氧条件下，消耗N2O的微生物的底物亲和力是明显的深度（图4）。一致地，ETNP的有氧层和无氧ODZ之间在RNA水平上消耗N2O的微生物的群落组成也有所不同（图2b）。这些结果表明，应将不同的动力学参数应用于缺氧N2O汇和含氧层中新发现的潜在N2O汇的估算。底物亲和力的差异很可能是由于占据不同生态位的各种消耗N2O的微生物所致。可以确定PS2站的有氧层和PS3站的有氧-缺氧界面的N2O消耗的重要Km（图4b，e）。缺氧ODZ样品中缺乏Michaelis-Menten动力学（图4f，g），这表明除添加的底物外其他因素（例如有机物）限制了N2O的消耗。 PS3站有氧层的Km可能大于PS2站的有氧层，因为该速率甚至在最大N2O浓度下也不会饱和（图4c）。至于PS1站，第4个数据点的下降速率表明，具有不同基质亲和力的消耗N2O的微生物混合存在（图4a）。尽管不重要，但仅包括前四个数据点时，Km为110（±230）nM。当排除第四个数据点时，站PS1的有氧层的Km为1354（±653）nM。氧化层样品中的Km值越大，表明那里的微生物对N2O的亲和力越低。在本研究确定的Km值范围内（有氧层中为2.8μM，ODZ顶部为0.3μM，图4）具有不同的群落组成，但最丰富的原型的相似性相似，意味着ETNP中有氧和ODZ组合之间的群落组成不同（图2b），以及ETSP和其他两个OMZ之间的差异（图2a）是由低丰度微生物的多样性而不是少数丰富的进化枝导致的。
除缺氧培养外，还研究了缺氧培养中的N2O消耗动力学。与消耗N2O的微生物的低O2耐受性相一致（图3），在大多数添加O2的培养中无法确定N2O消耗的动力学，因为未检测到N2O消耗率（图4）。只有PS3站有氧-缺氧界面的样品在有氧培养中显示了Michaelis-Menten动力学（图4e），这可能是因为在该有氧培养中添加的氧气（4.5μM，表S3）少于所有其他有氧培养和消耗N2O的微生物比增加有氧层的微生物具有更高的耐受O2浓度的能力（图3e）。这里允许发生N2O消耗的O2浓度（≥4.5μM）远远高于先前确定的反硝化阈值（0.2–0.3μM）。这是由于拥有反硝化途径不同部分的微生物对O2的敏感性不同。在从NO2产生N2O的O2阈值中也观察到了不同的氧气敏感性，后者对O2的耐受性更高。另外，与在有氧层中存在nosZ不同，在有氧层中以亚硝酸盐还原酶基因（nirK和nirS）非常少。这些观察结果表明，反硝化作用可以通过具有该途径不同部分的独立生物体以模块化的方式进行，而不是一种无需交换中间体即可发生的耦合反应过程。
图4 ETNP OMZ三个站N2O消耗速率的N2O动力学
评论
本研究确定了含氧和缺氧海水中的动力学参数，发现了含氧水中消耗N2O的微生物的底物亲和力，O2耐受性和群落组成与缺氧层中的微生物不同。并估算原位N2O消耗和生产速率。为改善对N2O汇的估算，及对N2O来源的估算具有重要意义。
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