Ecosystem-Scale Oxygen Manipulations Alter Terminal Electron Acceptor Pathways in a Eutrophic Reservoir
Ecosystem-Scale Oxygen Manipulations Alter Terminal Electron Acceptor Pathways in a Eutrophic Reservoir
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生态系统规模的氧气操纵改变富营养化水库中的末端电子受体途径
DOI：
10.1007/s10021-020-00582-9
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
3.7
通讯作者：
Carey, Cayelan C.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
McClure, Ryan P.;Schreiber, Madeline E.;Lofton, Mary E.;Chen, Shengyang;Krueger, Kathryn M.;Carey, Cayelan C.
全球湖泊和水库正在经历前所未有的土地利用和气候变化，耗尽这些生态系统底部沃茨（浅水）中的溶解氧（DO）。由于DO是有机碳矿化的最有利的末端电子受体（TEA），其可用性控制交替TEA途径（例如，反硝化、锰还原、铁还原、硫酸盐还原、甲烷生成）的开始。低溶解氧浓度可以通过水柱和沉积物中的交替TEA途径触发有机碳矿化，这对温室气体产生[二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）]具有重要意义。在这项研究中，我们实验性地注入过饱和溶解氧的富营养化水库的底层和测量浓度的TEA和终端电子产品（TEPs）在实验水库和上游参考水库。我们计算了每个TEA途径产生的电子当量，并估计了每个TEA途径对两个储层中有机碳加工的贡献。DO添加到实验水库的浅水层促进有氧呼吸，抑制大多数交替TEA途径，导致CO2积累升高。相比之下，有机碳矿化在参考水库的缺氧低层交替TEA途径占主导地位，导致CH4和CO2的积累。我们的生态系统规模的实验表明，交替TEA途径，成功的湖泊和水库的有氧呼吸，可以在生态系统尺度上操纵。此外，在淡水湖泊和水库的溶解氧动力学的变化可能会导致在控制有机碳矿化和温室气体积累的水柱中的氧化还原反应的伴随变化。
Lakes and reservoirs globally are experiencing unprecedented changes in land use and climate, depleting dissolved oxygen (DO) in the bottom waters (hypolimnia) of these ecosystems. Because DO is the most energetically favorable terminal electron acceptor (TEA) for organic carbon mineralization, its availability controls the onset of alternate TEA pathways (for example, denitrification, manganese reduction, iron reduction, sulfate reduction, methanogenesis). Low DO concentrations can trigger organic carbon mineralization via alternate TEA pathways in the water column and sediments, which has important implications for greenhouse gas production [carbon dioxide (CO2) and methane (CH4)]. In this study, we experimentally injected supersaturated DO into the hypolimnion of a eutrophic reservoir and measured concentrations of TEAs and terminal electron products (TEPs) in the experimental reservoir and an upstream reference reservoir. We calculated the electron equivalents yielded from each TEA pathway and estimated the contributions of each TEA pathway to organic carbon processing in both reservoirs. DO additions to the hypolimnion of the experimental reservoir promoted aerobic respiration, suppressing most alternate TEA pathways and resulting in elevated CO2accumulation. In comparison, organic carbon mineralization in the reference reservoir’s anoxic hypolimnion was dominated by alternate TEA pathways, resulting in both CH4and CO2accumulation. Our ecosystem-scale experiments demonstrate that the alternate TEA pathways that succeed aerobic respiration in lakes and reservoirs can be manipulated at the ecosystem scale. Moreover, changes in the DO dynamics of freshwater lakes and reservoirs may result in concomitant changes in the redox reactions in the water column that control organic carbon mineralization and greenhouse gas accumulation.
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