温度和底物共同决定了厌氧氨氧化过程对温泉中氮去除的显著贡献

《Water Research》：Temperature and substrate jointly shape significant anammox contributions to nitrogen removal in hot springs

高温地热系统氮去除机制及温度调控研究，揭示60.2-91.5°C范围内反硝化与厌氧氨氧化协同作用，总氮含量影响途径分配。

　　

孙晓曦|姚炳富|杨健|蒋宏辰

河南大学生命科学学院，开封，中国，475004

摘要

温泉是极端环境，作为理解微生物生物地球化学的关键自然实验室。然而，厌氧氨氧化（anammox）与反硝化作用（denitrification）的相对重要性仍不明确，特别是在自然陆地地热系统中的定量分配和潜在速率方面。本研究结合了地球化学分析、¹⁵N同位素标记和定量PCR技术，研究了滕冲温泉（Tengchong hot springs）在宽广温度范围（60.2-91.5 °C）内的活性氮（Nr）去除过程。虽然在氮含量较低的地点无法检测到厌氧氨氧化作用，但在两个特定的氮含量较高的温泉中，它对活性氮的去除贡献显著（约50%），揭示了这一过程在高达72.1 °C的温度下的重要性和之前被低估的生态位。温度和总氮含量共同调节了路径的分化和活性氮的去除：在75 °C以下，反硝化作用和厌氧氨氧化作用在氮含量较高的生态位中共存，它们的竞争性但互补的相互作用提高了整体活性氮的去除效率，尽管在酸性条件下可能会产生更多的氧化亚氮（N₂O）。相比之下，在75 °C以上，活性氮的去除主要通过受限制的反硝化途径进行，效率较低但产生的N₂O量极少。总氮含量对这两种途径都有积极影响，部分缓解了温度抑制效应。这些发现突显了微生物活性氮去除速率与环境影响之间的基本热机制耦合，并表明协调控制温度和底物供应可以在自然和工程系统中减少温室气体的产生。

引言

陆地温泉具有极端的温度、波动的氧化还原条件和独特的地球化学特性，是探索生命极限和阐明微生物生物地球化学基本原理的无与伦比的自然实验室（Power等人，2018年；Wang等人，2023年）。这些系统越来越多地被认为是早期地球栖息地和潜在外星生物圈的类比，为我们提供了了解生命在压力下的适应性和代谢创新性的窗口（Xie等人，2025年；Cavicchioli，2002年）。温泉固有的陡峭温度和化学梯度为多种微生物生命创造了生态位，促进了复杂的元素循环，这是生态系统功能的基础。其中，氮循环至关重要，因为它调节了关键营养物质的生物可用性并影响温室气体（GHG）的通量。然而，我们对微生物驱动因素、途径及其在极端温度下的控制机制的理解仍然零散，特别是在关键氮去除过程的功能潜力和生态意义方面。

生态系统中的固定活性氮（Nr）去除主要通过反硝化作用和厌氧铵氧化（anammox）这两种微生物过程实现。反硝化作用是通过亚硝酸盐（NO₂?）、一氧化氮（NO）和氧化亚氮（N₂O）逐步将硝酸盐（NO₃?）还原为氮气（N₂）的过程，是多种原核生物采用的多功能呼吸途径。虽然反硝化作用对于完成氮循环至关重要，但它可能是强大的温室气体N₂O和臭氧消耗物质的来源。相比之下，厌氧氨氧化作用在严格厌氧条件下将铵离子（NH₄?）的氧化与NO₂?直接还原为氮气（N₂）相结合，被认为是一种对环境更友好的氮去除途径，因为它避免了N₂O的产生（Kartal等人，2011年）。几十年来，人们认为厌氧氨氧化作用在大多数自然系统中是一个相对专门且通常次要的氮去除途径，其重要性主要局限于特定的海洋缺氧区和一些淡水沉积物（Kartal等人，2013年；Kuypers等人，2003年）。然而，最近在各种非热环境中发现了大量的厌氧氨氧化活动，例如河岸带和农业土壤中，其作用可以与反硝化作用相当甚至超过后者（Tan等人，2020年；Zhu等人，2015年；Sun等人，2023年）。

对热生态系统中氮循环的研究揭示了拥有反硝化和厌氧氨氧化遗传潜力的嗜热微生物的惊人多样性。宏基因组和基因中心的研究在全球的温泉和热液喷口沉积物中检测到了关键的氮循环基因，包括厌氧氨氧化标记基因hzsB（Hou等人，2013年；Song等人，2013年；Zhang等人，2018a年；Zhang等人，2023年；Khan等人，2025年；Jaeschke等人，2009年；Gao等人，2023年；Wang等人，2024年）。尽管这些基因在基因组中普遍存在，但目前的主流观点仍然认为反硝化作用是地热系统中生物氮损失的主要途径，甚至可能是唯一的途径，这一观点得到了大量独立于培养和同位素证据的支持（Bourbonnais等人，2012年；Dodsworth等人，2011年）。然而，挑战这一观点的现有证据仍然有限。Byrne等人（Byrne等人，2009年）的开创性工作首次提供了在深海热液喷口中高温（高达85°C）下厌氧氨氧化活动的直接证据，尽管速率极低。最近的研究和生物反应器实验表明，厌氧氨氧化细菌可以适应嗜热温度（45-50°C）下的持续活动（Wang等人，2024年；Vandekerckhove等人，2020年；Zhang等人，2018b年），但这些发现揭示了一个关键差异：在工程系统中，活跃的厌氧氨氧化活动仅限于中等温度，而在超嗜热环境中的检测仅限于微量水平。因此，仍然存在一个重要的知识空白：在自然陆地环境中高厌氧氨氧化潜力的证据明显缺失。我们缺乏在明确的地热温度范围内系统量化反硝化和厌氧氨氧化对活性氮去除相对贡献的数据。特别是在自然高温环境中，调节这两种途径及其产生的温室气体足迹的调控因素（尤其是温度）尚未明确。了解厌氧氨氧化作用是仅仅是有趣的现象，还是在陆地地热系统中具有定量重要性的过程，对于准确模拟全球氮通量和在嗜热生物技术应用（如高效废水处理）中利用这些途径至关重要（Wang等人，2022年；Yu等人，2024年）。

本研究的中心假设是温度作为主要调节因素，对陆地温泉中微生物活性氮去除的速率、途径分化和气体产生具有不同的控制作用。具体来说，我们假设：（1）活性氮去除潜力将与温度呈负相关，反映了随着环境条件接近生命的上限温度，微生物代谢所承受的热应力加剧。（2）在温度较低的地热范围内，厌氧氨氧化对活性氮去除的贡献将不成比例地更高，这挑战了反硝化作用作为普遍主导途径的传统观点。这一假设基于各自微生物类群的生理限制；特别是自然环境中的厌氧氨氧化细菌可能具有比系统发育上更多样的反硝化细菌更狭窄的温度最优范围（Zhang等人，2023年；Sriaporn等人，2023年）。（3）N₂O的产生比例（pN₂O）将受到温度和其他地球化学因素（如pH值、有机碳）的相互作用影响，较低的pH值和中等温度会通过抑制N₂O还原酶NosZ的活性而促进N₂O的积累（Su等人，2021年；Ma等人，2025年）。

为了验证这些假设，我们在中国的滕冲地热区进行了综合研究，采用了一种综合方法，结合了详细的地球化学分析、敏感的¹⁵N同位素配对技术来量化过程速率，以及对关键功能基因的分子分析。我们的目标是：（i）量化反硝化和厌氧氨氧化的潜在速率，并确定它们在宽广温度范围（60.2–91.5°C）内的相对贡献；（ii）识别影响这些微生物活动的主要环境因素，包括温度、总氮和pH值；（iii）阐明微生物群落潜力（通过功能基因丰度）与实际活动之间的联系。

章节摘录

野外采样和地球化学测量

位于欧亚板块和印度板块交界处的中国云南滕冲地热区，由于火山活动和岩浆侵入而形成（Chen等人，2025年）。这些过程产生了多样且活跃的地热特征，为这项研究提供了理想的自然系统。从热海（Rehai）地热区的九个温泉中收集了沉积物和水样，这些温泉的温度范围广泛（60.2-91.5 °C），pH值范围为（6.09-9.66）。

研究温泉的地球化学特征

研究温泉沉积物的主要地球化学特征见表S1。根据地球化学参数的层次聚类分析，研究温泉被统计分为两个不同的组：高温组和低温组，分界点大约在75°C（图S2）。简要来说，研究温泉的温度范围为60.2至91.5 °C。大多数温泉呈碱性，只有一个温泉除外。

重新评估厌氧氨氧化在热生态系统中的生态位和生态意义

尽管本研究没有分析微生物分类，但我们之前的研究（Hou等人，2013年；Song等人，2013年；Ma等人，2025年；Song等人，2022年）已经确定了这些温泉中的主导分类群，我们的功能基因数据（如hzsB）也是在这个框架内解释的。虽然厌氧氨氧化在空间上局限于特定的地热生态位（SRBZ和DGG2-3），但我们的结果显示，它能够维持非常高的潜在速率，并在活性氮去除中占主导地位，约占

结论

本研究表明，温度和底物可用性共同塑造了陆地温泉中微生物活性氮去除的途径，加深了我们对热生态系统中氮循环的理解。我们的发现表明，活跃的厌氧氨氧化活动可以在高达72.1°C的温度下持续存在，但只有在有利的热条件和足够的底物可用性同时存在时才会变得显著，这强调了需要重新评估高温环境下厌氧氨氧化的潜力。

CRediT作者贡献声明

孙晓曦：撰写——审阅与编辑、软件使用、数据分析、初稿撰写、方法学研究、数据可视化、调查、数据管理。姚炳富：撰写——审阅与编辑、数据分析、方法学研究。杨健：数据分析、软件使用、撰写——审阅与编辑。蒋宏辰：初稿撰写、资源获取、调查、验证、资金争取、数据可视化、监督、项目管理、概念构思。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性

数据将根据请求提供。

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孙晓曦：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据管理。姚炳富：撰写——审阅与编辑、方法学研究、数据管理。杨健：撰写——审阅与编辑、软件使用、资源管理、方法学研究。蒋宏辰：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、调查、资金争取，

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突。

数据可用性

数据将按请求提供。

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孙晓曦：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据分析、数据管理。姚炳富：撰写——审阅与编辑、方法学研究、数据管理。杨健：撰写——审阅与编辑、软件使用、资源管理、方法学研究。蒋宏辰：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、调查、资金争取，

竞争利益声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的竞争利益：蒋宏辰的报告由河南大学提供。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号41422208）的资助。