微生物利用金属“消化”一氧化二氮
华盛顿大学圣路易斯分校麦凯维工程学院和艺术与科学学院的研究表明，在这些微生物称为家的复杂、动态的水生环境中，可能并不总是有足够的铜用于反硝化。
图片来源:Kenneth Kemner/Argonne国家实验室
就像你和我一样，微生物需要在饮食中摄入一些金属来保持健康。这些金属有助于微生物充分“消化”食物。美餐一顿后，通过化学方式减少硝酸盐而获得能量的微生物会释放出一种无害的副产品:氮，这种气体占地球大气的78%。
但是，如果一种金属，特别是铜，没有了，这些微生物就不能完成生化“消化”过程，即反硝化作用。它们释放的不是氮，而是强大的温室气体一氧化二氮。
以前使用纯培养物的实验室研究表明，铜的有效性对反硝化很重要。现在，麦凯维工程学院的沃尔特·e·布朗环境工程教授丹尼尔·贾玛尔(Daniel Giammar)和华盛顿大学艺术与科学学院的地球和行星科学教授杰弗里·卡塔拉诺(Jeffrey Catalano)的实验室的研究表明，在这些微生物称之为家的复杂、动态的水生环境中，可能并不总是有足够的铜用于反硝化。
他们的研究发表在6月15日的《地球化学与宇宙化学学报》上。
“烧杯中的材料与环境中的材料是不一样的，”Giammar说。“我们的方法的很大一部分是从真实的环境系统中提取真实的材料，并把它们带到实验室，以可控的方式研究它们。”
这些发现强调了铜在释放一氧化二氮方面的巨大作用。“通常情况下，这些系统可能没有足够的金属来完成这个过程，”Giammar实验室的博士生Neha Sharma说。
这很重要，因为一氧化二氮是第三大温室气体，其中50%来自水生生态系统中的微生物。
为了更好地了解铜是如何影响这些系统中的气体释放的，Sharma和伊莱恩·弗林(Elaine Flynn)去了源头。Sharma和Flynn与美国能源部(DOE)的三个实验室——橡树岭和阿贡国家实验室以及萨凡纳河遗址——合作，从湿地和河床收集微生物。当他们分析系统中有多少铜时，他们意识到这不足以完成反硝化。
Sharma说:“然后我们想看看，如果我们手动添加铜，会不会影响一氧化二氮的释放。所有的一氧化二氮都转化成了其他物质，”但没有产生有害的温室气体。
Sharma说，这一发现可以为遏制大气变暖指明新途径。她说:“如果我们在自然系统中加入一些金属，可能会减少一氧化二氮的释放。”它还可能对研究气候的研究人员产生更直接的影响。
Sharma说:“目前，预测各种系统释放气体的模型没有考虑到这些因素。他们知道食物供应或温度等因素可能会影响温室气体的释放，但他们不包括金属对这方面温室气体的影响。”
为了让人们真正理解气候并对其做出有用的预测，气候模型需要将现实世界中特定生态系统中存在的所有复杂性都纳入其中。
另一项研究发表在5月份的《ACS地球与空间化学》杂志上，分析了萨凡纳河遗址河岸湿地土壤和橡树岭国家实验室附近溪流沉积物中四种不同金属的行为。
他们想知道当金属在水下(几乎没有氧气)和暴露在空气中时，它们的可用性是否会发生变化。
研究小组有理由相信，这四种金属——对微生物的生化反应都很重要——可能都具有相似的作用。然而，令他们惊讶的是，这些金属在相似的情况下表现不同。
Sharma说:“这意味着某些金属的生物利用度会随着季节而变化。它只是突显了自然系统的极端复杂性。”
解决这种复杂性需要各种各样的专家和合作伙伴。
“我们是环境工程师，我们总是在想‘为什么这很重要?这对气候有什么影响?我们能做些什么?”Giammar说。“而且，我们还与首席研究员杰弗里·卡塔拉诺合作，”这为这项工作提供了强有力的地球化学视角。
综合起来，知识可以改变人们理解流域与气候关系的方式。
"如果说有什么不同的话，那就是我们看到铜的限制比我们想象的更严重，" Giammar说。“这就是为什么我认为研究这种环境复杂性是重要的。”
Copper availability governs nitrous oxide accumulation in wetland soils and stream sediments
