中国海洋大学在黄东海一氧化氮释放及产生机制研究方面取得新进展 - 海洋地球化学循环研究

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近日，中国海洋大学深海圈层与地球系统前沿科学中心、海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室在环境领域顶尖学术期刊Environmental Science & Technology发表了题为“Emissions of nitric oxide from photochemical and microbial processes in coastal waters of the Yellow and East China Seas”（黄东海光化学和微生物过程的一氧化氮释放）的文章，在海洋一氧化氮（NO）生物地球化学循环研究领域取得新进展（图1）。论文第一作者为刘春颖教授指导的2021级海洋化学专业博士研究生贡江琛，通讯作者为刘春颖教授和杨桂朋教授。

海洋中活性氮的生物地球化学及环境效应是目前海洋科学的研究热点。NO是破坏臭氧层、形成酸雨及光化学烟雾的污染气体，然而细胞内NO对生物体至关重要，NO对生物生长和代谢有重要的调控作用，它也是某些微生物过程如硝化和反硝化的关键中间物质。由于NO在海水中浓度低且活性高，不易观测，使得NO的海洋生物地球化学研究受到很大限制，目前海洋NO的收支和产生机制仍不清楚。本研究首次在黄东海的表层海洋和低层大气中同时进行了高分辨率NO浓度的走航观测；通过船基培养，测定了表层海水中不同过程NO的产生速率；利用基因组学分析了产生NO的主要微生物过程（图2）；阐明了中国东部陆架海表层海水产生NO的光降解和微生物作用的主要机制，揭示了该海域NO的时空变化规律、源-汇格局和主控因素，并估算了黄东海NO的海-气交换通量。

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图2 (a) 研究区域微生物氮循环、涉及的标记基因和遗传潜力。(b) 基于功能特征的主要微生物在纲水平和属水平上的相对丰度。 (c) 基于每个标记基因的纲水平和属水平上主要微生物的基因数。A-E分别表示Gammaproteobacteria、Flavobacteriia、Cytophagia、Alphaproteobacteria和Unclassified。J-M分别表示Gammaproteobacteria、Flavobacteriia、Alphaproteobacteria和Unclassified。

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研究表明，亚硝酸盐光降解作用是黄东海NO产生的主要来源，其次为古细菌的硝化作用。同时探究了大气中NO和臭氧之间的关系，明确了大气中NO的来源。发现大气中NO的浓度降低将会使近海海域的NO海气交换通量增强。近海海域的NO排放主要受活性氮输入的影响，并将随着陆源NO排放的减少而呈增加趋势。这些结果完善了NO的海洋生物地球化学循环模式，丰富了全球氮循环的研究内涵，为评估其环境和气候效应提供了科学依据。

本研究依托于本研究室所建立的NO走航观测系统（图3），相关内容以 “Continuous chemiluminescence measurements of dissolved nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) in the ocean surface layer of the East China Sea”（表层海水中一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO）的走航观测方法）为题于2021年发表于Environmental Science & Technology期刊。

图3 溶解NO和NO2的走航观测系统

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杨桂朋教授领衔的研究团队长期从事海洋活性气体研究，在活性气体的海洋生物地球化学及气候效应研究领域取得了一系列创新性成果。本次在Environmental Science & Technology上发表的研究成果是该团队在海洋化学研究领域取得的又一重要研究进展。

该论文由中国海洋大学、崂山实验室、山东青岛海洋环境监测中心、德国GEOMAR Helmholtz-Zentrum海洋研究中心、南京信息工程大学等单位的相关学者合作完成。研究工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。