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研究背景

工业革命以来，人类活动向水体生态系统输入了大量活性氮，导致湖泊富营养化日益严重。湖泊既是流域氮去除的关键场所，也是全球温室气体氧化亚氮（N₂O）和甲烷（CH₄）的重要排放源。然而，湖泊营养水平如何调控沉积物温室气体产生尚不清楚。

湖泊沉积物是氮转化和产生N₂O的主要场所，硝化和反硝化是N₂O产生的主要途径。反硝化依赖有机物提供电子供体，富营养湖泊充足有机物可为反硝化菌提供大量电子，从而加剧反硝化产生N₂O。但也有研究表明，有机物充足时电子供应充分，更倾向于完全反硝化产生N₂而非N₂O。同样，湖泊也是CH₄重要排放源，但其排放量与湖泊营养水平的关系也无定论。尽管已有研究表明湖泊富营养化可增加温室气体排放，但营养化水平如何调控温室气体的产生仍缺乏系统认知。

为此，本研究结合区域-全球湖泊宏基因组分析与微宇宙实验，综合运用多种分子生态学和同位素示踪技术，先构建了全球湖泊温室气体产生潜力与营养水平关联框架，再通过交叉接种实验模拟湖泊富营养化和寡营养化过程，揭示了营养水平对湖泊沉积物温室气体产生的调控机制。

图1. 营养水平调控湖泊沉积物N₂O与CH₄产生核心机制模式图

研究结果

全球湖泊沉积物宏基因组分析显示，产甲烷基因mcrA与古菌固氮基因nifH显著正相关（p < 0.01），但两者丰度与湖泊营养水平无关，表明湖泊沉积物中古菌产甲烷与固氮耦合，但CH₄释放受多因子影响。

反硝化过程中的两种亚硝酸盐还原酶NirS和NirK具有不同倾向：NirS型反硝化菌趋向于完全反硝化（终产物为N₂），而NirK型则以不完全反硝化为主（终产物为N₂O）。本研究发现，富营养湖泊沉积物中nirS基因丰度显著高于nirK基因（p < 0.001），norB和nosZ基因丰度也更高，表明富营养湖泊更倾向于完全反硝化。相反，寡营养湖泊则以nirK为主，参与N₂O还原的nosZ基因丰度也较低，故更倾向于不完全反硝化。

图2. 沉积物宏基因组分析发现湖泊营养水平与N₂O和CH₄产生潜力的关联

为验证上述宏基因组分析结果，进而将寡营养湖泊（RW）与富营养湖泊（KL）沉积物按不同比例混合，分别模拟湖泊富营养化和寡营养化过程，并通过硝化抑制剂（DCD）来区分硝化和反硝化对N₂O产生的贡献。结果表明，富营养化过程随着营养水平升高，N₂O产生由反硝化主导逐步转变为硝化主导，而寡营养化过程呈现相反趋势。模拟验证结果与全球湖泊宏基因组分析结果一致，证实了湖泊营养水平显著影响沉积物N₂O产生途径，但对CH₄的影响不明显。

图3. 沉积物交叉接种模拟湖泊富/寡营养化过程证实营养水平调控N₂O产生

研究总结

本研究系统揭示了湖泊营养水平调控沉积物温室气体产生机制，为湖泊温室气体减排提供了科学依据。当化石燃料大量使用，氮排放持续增加导致湖泊富营养化加剧时，N₂O产生由硝化主导，可通过控制外源输入，抑制内源释放，强化厌氧氨氧化脱氮等措施减缓N₂O产生。反之，当富营养化湖泊逐渐向贫营养恢复时，N₂O产生逐步转为反硝化主导，可通过清除沉积物硝酸盐，提高碳氮比等策略，抑制不完全反硝化来减少N₂O产生。

研究成果以“Trophic status strongly regulates nitrous oxide but not methane production in global freshwater lake sediments”为题发表于Nature Communications。中山大学杨玉春副教授和博士生张翮为共同第一作者，南方海洋实验室颜庆云教授为通讯作者。新西兰Canterbury大学Craig W. Herbold副教授，中国科学院水生生物研究所黄洁副研究员、余育和研究员，南方海洋实验室贺志理教授、何建国教授等参与了该研究。

该研究得到了国家自然科学基金、南方海洋实验室自主科研项目、海洋负排放（ONCE）国际大科学计划等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72269-z