Nature Communications | 中山大学杨玉春副教授团队与颜庆云教授团队揭示营养水平对湖泊沉积物温室气体产生的调控机制

01[ 研究背景] 

    工业革命以来，人类活动导致大量活性氮输入水体生态系统，导致了严重的富营养化问题。湖泊是流域氮素去除的关键，同时也是全球温室气体甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的重要排放源，但湖泊营养水平对沉积物CH4和N2O产生的调控机制仍不清楚。

    湖泊沉积物是氮转化与N2O产生的主要场所，其中硝化与反硝化是N2O产生的主要途径。反硝化过程依赖有机物提供电子供体，富营养化可为反硝化菌提供充足有机物，有研究发现富营养化可加剧反硝化产生N2O。但也有研究表明，有机物充足时因有足够电子，更倾向于完全反硝化以N2形式排放而非N2O。同时，湖泊也是全球CH4重要排放源，但与湖泊营养状态的关系仍不清晰。虽然已有研究表明富营养化会改变湖泊碳氮循环并增加温室气体排放，但营养化水平如何调控微生物介导的N2O与CH4产生途径和通量，仍缺乏系统认知。

    本研究结合区域-全球湖泊宏基因组学分析与微宇宙实验，利用多种分子生态学和同位素示踪技术，在构建全球湖泊温室气体产生潜力与湖泊营养状态关联框架的基础上，通过设计交叉接种的创新性实验，模拟湖泊富营养化和寡营养化过程的效应，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

02[ 主要结果 ] 

    研究结果表明，全球湖泊沉积物中产甲烷基因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状态无关，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。

    反硝化过程主要有两种亚硝酸盐还原酶NirS和NirK，NirS型反硝化菌倾向于完全反硝化（以N2为终产物），而NirK型反硝化菌则以不完全反硝化为主（以N2O为终产物）。富营养湖泊沉积物中nirS基因丰度远高于nirK基因（p < 0.001），对应的norB和nosZ基因丰度也显著更高，表明富营养湖泊更倾向于完全反硝化。反之，寡营养湖泊则以nirK为主，且具有较低丰度的nosZ基因参与N2O还原，表明寡营养湖泊更倾向于不完全反硝化。 

图2. 基于全球淡水湖泊沉积物宏基因组分析发现营养水平与CH4和N2O产生潜力的关联

    为验证上述对全球湖泊宏基因组分析结果，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；同时使用硝化抑制剂（DCD）来区分硝化和反硝化过程产生的N2O。结果显示，富营养化模拟过程随着营养水平升高，N2O产生由反硝化主导逐步转为硝化主导，而寡营养化模拟过程呈现相反趋势。因此，模拟验证结果与全球湖泊宏基因组分析结果均表明，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. 通过沉积物交叉接种实验模拟湖泊富营养化和寡营养化过程，证实了营养水平对沉积物N2O产生途径的调控

    综上，本研究系统揭示了湖泊营养水平对沉积物CH4与N2O产生的调控机制，为未来湖泊温室气体减排提供了重要科学依据。在化石燃料大量使用、氮排放日益加剧情境下，针对不断加剧的湖泊富营养化由硝化产生的N2O，可通过控制外源输入和内源释放，强化厌氧氨氧化脱氮等措施减缓N2O产生。相反，对富营养化湖泊逐渐向贫营养型转变的综合治理过程，N2O产生逐步转向反硝化主导，则可通过清除沉积物硝酸盐、提高碳氮比以抑制不完全反硝化来减少N2O产生。

    该研究以“Trophic status strongly regulates nitrous oxide but not methane production in global freshwater lake sediments”为题发表在Nature Communications（https://doi.org/10.1038/s41467-026-72269-z）。中山大学生态学院杨玉春副教授和24级强基计划直博生张翮为共同第一作者，南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）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，中山大学生命科学学院何建国教授，南方海洋实验室贺志理教授等参与了该研究。该研究得到国家自然科学基金、教育部突破先导、南方海洋实验室、广东省国家重点实验室专项资金、海洋负排放（ONCE）国际大科学计划、深圳市面上项目等资助，该研究也获得中山大学深圳校区和生态学院高性能计算公共平台超算支持。

03[ 团队招新] .
团队招收博士后1名

合作导师

    杨玉春，中山大学“百人计划”副教授，博士生导师。博士毕业于香港大学顾继东教授课题组，期间在维也纳大学微生物生态学团队（DOME）Holger Daims教授课题组交流学习。主要关注全球气候变化背景下不同生态系统中微生物驱动的元素循环机制及其生态效应，尤其关注水生态环境（包括自然水体、污水处理体系、养殖水体）。研究手段包括全球尺度宏基因组学等多组学分析、室内微宇宙控制实验、同位素示踪、微生物高通量分离培养等。

招聘方向

    1. 全球尺度水生态系统中微生物驱动的元素循环机制；

    2. 微生物驱动的温室气体排放机制及减排策略；

    3. 新型自养微生物的分离培养与生理代谢机制。

基本要求

    1. 年龄35周岁以下，获得博士学位不超过3年；

    2. 以第一作者身份在微生物学相关国际主流期刊发表SCI论文1篇；

    3. 具备独立开展科研工作的能力、较好的团队合作精神以及良好的英文阅读和写作水平。

岗位待遇

    1. 提供具有竞争力的薪酬（广东省和深圳市博后资助）；

    2. 学校提供独立的博士后公寓；

    3. 子女就读中山大学附属学校；

    4. 中山大学设有“逸仙博士后”项目，提供非常具有竞争力的薪酬待遇，详情请见：中山大学“逸仙博士后”全球招聘https://mp.weixin.qq.com/s/xRsufsnoSlCW0duJ128rQA；

    5. 优秀的博士后可以申请国家、广东省的各类博士后人才项目（如博新计划），获批者可享受项目提供的工资补贴；符合条件者可以额外申请深圳市的博士后人才工资补贴及深圳市光明区科学城青年科技人才补贴等；

    6. 工作期限2-3年，期限届满后，研究成果突出并符合中山大学相关要求的博士后研究人员，可申请我校教学研究并重系列教师预聘职位。

申请材料及联系方式

有意应聘者将详细简历（含教育背景、研究兴趣、已发表论文等信息）发送至yangych55@mail.sysu.edu.cn（主题请注明“博士后申请-姓名”）。

图4. 团队合影