近日，我院陈能汪教授团队在流域-近海环境生物地球化学过程与效应研究方面取得新进展，在国际期刊Water Research上发表了题为“Pollution abatement reducing the river N2O emissions although it is partially offset by a warming climate: insights from an urbanized watershed study”的研究论文。该研究聚焦河流沉积物脱氮过程速率与气候效应，通过野外实地观测与室内培养实验并综合运用化学与分子生物学等手段，阐明沿海城市河流沉积物微生物驱动的脱氮过程与氧化亚氮产率之间的关系，揭示氮污染减排与温度变化对河流源N2O排放的复杂调控机理。
研究背景
人口增长和城市化、工业化、农业集约化以及气候变化驱动的水污染和水质恶化，威胁人类和生态系统健康。我国“十三五”期间启动水污染防治行动计划（简称“水十条”），“十四五”期间推进减污降碳协同增效，水环境质量得到持续改善。N2O是主要的温室气体之一，在百年时间尺度上其全球增温潜势是CO2的273倍，氮污染较重的河流，其沉积物-水界面的反硝化等脱氮过程也较活跃，通常是N2O排放的热点区。然而，在沿海快速城镇化地区受人类强烈干扰的河流系统中，关键氮转化过程与N2O的产生如何响应污染减排与全球气候变化（如升温）尚不清楚。
研究结果
本研究于2021-2022年在厦门市翔安区九溪流域开展涵盖四季的连续观测，系统调查研究区水体和沉积物的理化性质和脱氮微生物组成与丰度；在此基础上，进一步利用室内调控实验，探索硝酸盐氮和温度变化对两类河流站位（城市河段与农业河段）沉积物脱氮速率和效率的影响；最终模拟氮污染减排和全球变暖不同情景下的N2O产率的变化趋势。主要发现包括：（1）城市河段沉积物反硝化速率、脱氮效率和水中N2O浓度均高于农业河段，这一区别可能主要受控于有机碳含量和反硝化细菌丰度（图1）。（2）调控实验结果表明，沉积物脱氮速率随硝酸盐氮量的减少而降低，但脱氮效率增加；氮含量较低的沉积物其单位脱氮量对应的N2O产率相对较高（图2）。这意味着污染减排过程中，河流产生与排放的N2O无法按照硝酸盐氮浓度的下降而等比例降低，治理后期需要加大减排力度以达到相应的温室气体控制目标。（3）温度上升显著促进反硝化脱氮作用（速率与效率），城市河段水中氮浓度每降低1 mg· L-1所减少的沉积物N2O产生量，会被因温度上升（1 ℃）刺激的N2O排放抵消18.75%（图3）。总结而言，本研究发现污染治理（底物浓度下降）会降低河流N2O的产生与排放，但全球变暖会增强反硝化过程驱动的河流源N2O排放，从而抵消一部分治理成效。这一结果可为统筹推进减污降碳协同增效提供参考。
图1 厦门九溪城市河段（UR）和农业河段（AR）沉积物中微生物的多样性指数（a）、反硝化细菌相对丰度（b）以及脱氮功能基因（narG、nirS、norB、nosZ为反硝化功能基因，hzsB为厌氧氨氧化功能基因）的相对丰度（c）。附属字母a和b表示在95%置信水平下UR和AR之间的显著差异。
图2 在不同温度和硝酸盐氮浓度梯度下模拟预测的ΔN2O浓度（a, b）和ΔN2O/ΔNO3-N变化（c, d）。UR表示城市河段，AR表示农业河段。
图3 城市河段与农业河段脱氮过程、污染减排与全球变暖对N2O产率的耦合调控概念模型
研究团队
本论文第一作者为我院2020级硕士生闫瑞峰，通讯作者为陈能汪教授。共同作者包括2019级博士生王芬芳和王曜。该研究受到国家自然科学基金（51961125203, 41676098）的资助。
论文来源
Yan, R., Wang, F., Wang Y. and Chen, N.* (2023) Pollution abatement reducing the river N2O emissions although it is partially offset by a warming climate: insights from an urbanized watershed study. Water Research, 236, 119934.
文、图 | 闫瑞峰、陈能汪
责任编辑 | 陈能汪
排版 | 曾鹏
