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哈工大任南琪院士團(tuán)隊(duì)在水生態(tài)元素循環(huán)等領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

2025-02-20 09:22:54 | 哈爾濱工業(yè)大學(xué) |

哈工大任南琪院士團(tuán)隊(duì)陳川教授課題組在水生態(tài)元素循環(huán)及碳減排領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院任南琪院士團(tuán)隊(duì)陳川教授課題組在水生態(tài)元素循環(huán)及碳減排領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了一類在全球水生態(tài)環(huán)境中分布廣泛的自脫毒適應(yīng)性新型異養(yǎng)反硝化微生物，為實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體減排提供了新的解決思路。該成果以《多功能硝酸鹽呼吸異養(yǎng)微生物是長(zhǎng)期以來(lái)被忽視的對(duì)硫循環(huán)發(fā)揮重要作用的貢獻(xiàn)者》（Versatilenitrate-respiring heterotrophs are previously concealed contributors to sulfurcycle）為題發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。

反硝化過(guò)程是一種古老的微生物能量產(chǎn)生途徑，對(duì)于維持生命早期進(jìn)化和全球氮循環(huán)及氣候變化具有重要意義。在河流、河口、海洋等多種生態(tài)系統(tǒng)中，硫循環(huán)廣泛存在，并在調(diào)節(jié)微生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮重要作用。然而，由于有機(jī)物輸入和季節(jié)性缺氧，這一過(guò)程常導(dǎo)致高致毒性硫化物和硫化氫的生成。這不僅誘發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化和動(dòng)植物死亡，還間接推動(dòng)全球氣候變暖，破壞臭氧層并導(dǎo)致酸雨的形成。長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)理論認(rèn)為無(wú)機(jī)化能自養(yǎng)反硝化微生物是環(huán)境中硫氧化和硫解毒的主要驅(qū)動(dòng)者，而異養(yǎng)反硝化微生物通常缺乏硫代謝功能，因此其對(duì)全球硫循環(huán)的影響往往很少受到科學(xué)界的關(guān)注。相關(guān)研究表明，全球水生態(tài)碳氮硫元素循環(huán)中異養(yǎng)微生物往往在原位群落中占據(jù)重要的種群豐度貢獻(xiàn)，但迄今為止，關(guān)于其是否能驅(qū)動(dòng)硫循環(huán)及其對(duì)溫室氣體具有調(diào)節(jié)作用尚不明確。

圖1 通過(guò)高分辨率群落修正穩(wěn)定同位素核酸探針（DNA-SIP）揭示的河口沉積物中碳、氮、硫循環(huán)和核心微生物貢獻(xiàn)者

圖2 新型F-SOHDs微生物的基因組功能解析、豐度貢獻(xiàn)和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

針對(duì)上述問(wèn)題，本研究以自然底泥沉積物為研究對(duì)象，創(chuàng)新性地結(jié)合雙同位素標(biāo)記微宇宙培養(yǎng)、動(dòng)力學(xué)孵化、同位素核酸探針（DNA-SIP）和宏基因組學(xué)等技術(shù)手段，提出了一種基于群落修正穩(wěn)定同位素響應(yīng)的不同營(yíng)養(yǎng)類型微生物代謝解析新方法，闡明了異養(yǎng)反硝化類群在環(huán)境壓力下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化及其生理生態(tài)機(jī)制。與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)化能自養(yǎng)微生物不同，該研究揭示的具有硫氧化能力的異養(yǎng)反硝化微生物（F-SOHDs），能夠通過(guò)異養(yǎng)代謝將硫氧化與反硝化過(guò)程耦合，并在群落硫循環(huán)中發(fā)揮主要作用。進(jìn)一步研究表明，這些微生物能夠?qū)h(huán)境中的硫化合物作為有機(jī)碳的額外替代電子供體，加速反硝化過(guò)程且環(huán)境中溫室氣體N?O排放減少55.8–72.6%。此外，通過(guò)基因比對(duì)發(fā)現(xiàn)該微生物也存在熱泉、海洋和污水處理系統(tǒng)等多種生境中，表明其可能在全球生態(tài)元素循環(huán)和碳減排中發(fā)揮重要作用。此類微生物的發(fā)現(xiàn)為調(diào)控水生態(tài)環(huán)境中碳、氮、硫元素循環(huán)及溫室氣體的減排提供了新的啟示。