Aug 21, 2023
하구와 연안 해역의 질화 및 관련 아산화질소 배출에 대한 산성화가 미치는 영향
Nature Communications 14권, 기사 번호: 1380(2023) 이 기사 인용 5487 25개의 Altmetric Metrics 세부 정보에 액세스 대기 중 이산화탄소(CO2) 수준이 증가하는 맥락에서,
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대기 중 이산화탄소(CO2) 수준이 증가하는 상황에서 하구와 연안 해역의 산성화는 토지 유래 영양분 유입, 연안 용승 및 복잡한 생지화학적 과정에 의해 크게 악화됩니다. 따라서 질산균이 강화되는 산성화에 어떻게 반응하는지에 대한 더 깊은 이해는 하구와 해안 생태계의 반응과 지구 기후 변화에 대한 기여를 예측하는 데 중요합니다. 여기에서 우리는 산성화가 질화 속도를 크게 감소시킬 수 있지만 하구와 연안 해역에서 부산물인 아산화질소(N2O)의 생성을 자극할 수 있음을 보여줍니다. CO2 농도와 pH를 독립적으로 변화시킴으로써, 질화제 활성에 대한 증가된 CO2의 예상되는 유익한 효과("CO2-비옥화" 효과)가 산성화 시 제외됩니다. Metatranscriptome 데이터는 질산화제가 산성화 스트레스에 대처하기 위해 세포 내 pH 항상성과 관련된 유전자 발현을 상당히 상향 조절할 수 있음을 추가로 보여줍니다. 이 연구는 질화 및 관련 온실가스 N2O 배출에 대한 산성화 효과의 분자적 기반을 강조하고 기후 변화 및 인간 활동에 따른 하구 및 해안 생태계의 반응 및 진화를 예측하는 데 도움이 됩니다.
대기 중 이산화탄소(CO2)는 화석 연료 연소, 시멘트 생산, 삼림 벌채 및 기타 토지 이용 변화와 같은 집중적인 인간 활동으로 인해 증가해 왔습니다1. 전 세계적으로 대기 중 CO2의 평균 농도는 현재 413.2ppm에 도달했으며 21세기 말에는 800ppm을 초과할 것으로 예상됩니다2,3. 산업 시대에 배출된 CO2의 약 40%가 해양에 흡수되어4 결과적으로 표층 해수에서 약 0.1 pH 단위의 감소를 가져왔습니다5,6. 금세기 말에는 0.2~0.3 pH 단위의 추가 감소가 예상되며 민감한 유기체와 생태계에 심각한 결과가 예상됩니다6,7,8.
하구와 해안 생태계는 강, 육지, 바다가 상호 작용하는 역동적인 지역으로9, 인간의 행복을 위한 필수적인 생태계 서비스를 제공할 수 있습니다10. 그러나 대기 중 CO2 수준이 증가하는 상황에서 하구와 연안 해역은 육지 유래 영양분 투입, 연안 용승 및 복잡한 생지화학적 과정의 시너지 효과로 인해 대양보다 더 심각한 산성화를 겪습니다(보충 그림 1). 11,12. 전 세계적으로 하구와 해안 생태계에 대한 가장 큰 위협 중 하나는 유역의 인위적 영양분의 과잉 투입입니다10. 부영양화로 인한 식물성 플랑크톤 생성은 조류 유래 물질이 침전되는 저층수에서 높은 호흡률을 발생시켜 강력한 CO2 생성을 유발할 수 있습니다13. 따라서 강어귀와 연안 해역의 산성화는 CO2 농도가 높은 용승수의 간헐적인 침입으로 인해 크게 강화될 수 있으며11,13,14 이는 하구와 연안 생태계의 생물학적 과정과 기능에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다15,16,17,18,19,20,21 .
질화는 환원 및 산화된 질소 풀의 균형을 유지하는 중요한 과정으로, 광물화를 탈질 및 혐기성 암모늄 산화의 질소 제거 경로에 연결합니다. 따라서 이는 글로벌 질소 순환, 특히 부영양화 수생 생태계에서 중요한 역할을 합니다. 질화물질의 느린 성장과 환경 교란에 대한 높은 민감성으로 인해23 질산화는 수생 산성화에 의해 방해받을 것으로 예상됩니다. 산성화에 대한 질화제 반응의 한 가지 합병증은 CO2(pCO2) 부분압의 증가와 pH의 감소가 반대 효과를 가질 수 있다는 것입니다. pCO2 조건이 높을수록 탄소원이 증가하면 화학독립영양 질산화물질(CO2-비옥화)의 성장이 촉진될 수 있으므로 질산화에 도움이 될 것으로 예상됩니다. 대조적으로, pH의 수반되는 감소는 암모니아(NH3)와 암모늄(NH4+) 사이의 평형을 암모니아 산화제에 이용 가능한 더 낮은 농도의 기질 NH3 방향으로 이동시켜 질산화를 억제할 수 있습니다25,28,29. 따라서 질화제의 반응은 이러한 잠재적인 긍정적 효과와 부정적 효과의 균형에 크게 좌우됩니다. 그러나 예상되는 수생 산성화 수준이 질화제의 대사 및 기본 메커니즘에 미치는 영향에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다.
300-fold stronger radiative forcing per mole than CO2 and can react with ozone in the stratosphere34. N2O can be enzymatically produced by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) via conversion of hydroxylamine (NH2OH) to N2O35,36, or via nitrifier denitrification [a sequential reduction of nitrite (NO2−) to nitric oxide (NO) and N2O]35. Recently, the biotic conversion of NH2OH to N2O by AOB through the cytochrome P460 was also characterized36. In contrast, N2O emission associated with NH3 oxidation by ammonia-oxidizing archaea (AOA) is believed to result mainly from abiotic reactions between NH2OH and NO2− or NO32,37,38. Previous studies suggested that AOA produce lower yields of N2O than AOB during aerobic NH3 oxidation37,39. In addition, it has been documented that complete ammonia oxidizers (comammox) exhibit a lower N2O yield than AOB, as N2O originates rather from the abiotic conversion of NH2OH by comammox bacteria40,41. However, it is not yet clear how nitrifier N2O production will respond to aquatic acidification./p> 0.5; Fig. 5a), showing that the intracellular pH of the AOA may have also decreased with water pH./p>98 atom percent 15N, lower than 20% of ambient concentration) as a tracer and the accumulation of 15N in the NOx− (NO3− + NO2−) pools. During rate measurements, water pH was maintained stable via 0.2 M NaOH solution through the reactor’s acid–base automatic regulator, as protons (H+) can be released during the process of NH3 oxidation. Meanwhile, DO concentration was maintained saturated and pCO2 was maintained at the targeted level via a 100 mL h−1 gas flow, and the outflow gas was collected with gas sampling bags (Teflon®FEP, DuPont). Temperature was maintained at room temperature (25 °C) by an automatic heating plate and cold circulating water bath. During the incubation, pH, DO, and temperature were recorded in real time through the equipped pH sensor (Hamilton, Switzerland), DO sensor (Hamilton, Switzerland), and temperature sensor (Infors, Switzerland), respectively. The incubations were conducted in dark by covering the reactor tanks with opaque paper. Liquid samples (30 mL) were collected at the beginning and end of the 24 h incubation, with gas-tight syringes through a reserved sampling tube (clamped tightly after sampling) and filtered immediately (0.22 μm, Waterman). Part of the filtered water was used for measurements of NO3− and NO2−, while the other part was prepared for 15NOx− analysis using the “denitrifier method”67. In addition, another 30 mL water samples were collected for measurements of DIC, alkalinity, and pCO2. Meanwhile, gas samples were extracted using gas-tight syringes for CO2, N2O, and N2O isotope measurements. Before utilization, the reagent solutions were filter-sterilized (0.22 μm, Waterman), and the reactor tank and related materials were heat-sterilized (121 °C and 15 psi for 20 min) (the same below). All the experiments were conducted in triplicate. The nitrification rates were calculated using the following equation68:/p>98 atom percent 15N) was added to lower than 20% of ambient NH4+ concentrations. The carbonate chemistry was manipulated by steadily bubbling the water samples with 0.22 μm-filtered CO2 adjusted air (400 μatm for groups a and b, 800 μatm for groups c and d) while adjusting pH (7.8 for groups b and c, 8.1 for groups a and d) with sterile acid (0.1 M HCl) or base (0.2 M NaOH) solution via the reactor’s acid-base automatic regulator. Other reaction conditions (temperature, DO, gas flow rate, stirring speed, and dark condition) were the same as in the acidification experiments. Nitrification rates and N2O production rates were measured as described above during 24 h of incubation after equilibrium. All the experiments were conducted in triplicate./p>
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