Reactive Nitrogen Hotspots Related to Microscale Heterogeneity in Biological Soil Crusts

环境化学 缺氧水域 干燥 硝酸盐 氮气 反硝化 亚硝酸盐 化学 氮气循环 厌氧氨氧化菌 生态学 生物 反硝化细菌 有机化学
作者
Alexandra Kratz,Stefanie Maier,Jens Weber,Minsu Kim,Giacomo Mele,Laura Gargiulo,Anna Lena Leifke,Maria Praß,Raeid M. M. Abed,Yafang Cheng,Hang Su,Ulrich Pöschl,Bettina Weber
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (16): 11865-11877 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c02207
摘要

Biocrusts covering drylands account for major fractions of terrestrial biological nitrogen fixation and release large amounts of gaseous reactive nitrogen (Nr) as nitrous acid (HONO) and nitric oxide (NO). Recent investigations suggested that aerobic and anaerobic microbial nitrogen transformations occur simultaneously upon desiccation of biocrusts, but the spatio-temporal distribution of seemingly contradictory processes remained unclear. Here, we explore small-scale gradients in chemical concentrations related to structural characteristics and organism distribution. X-ray microtomography and fluorescence microscopy revealed mixed pore size structures, where photoautotrophs and cyanobacterial polysaccharides clustered irregularly in the uppermost millimeter. Microsensor measurements showed strong gradients of pH, oxygen, and nitrite, nitrate, and ammonium ion concentrations at micrometer scales in both vertical and lateral directions. Initial oxygen saturation was mostly low (∼30%) at full water holding capacity, suggesting widely anoxic conditions, and increased rapidly upon desiccation. Nitrite concentrations (∼6 to 800 μM) and pH values (∼6.5 to 9.5) were highest around 70% WHC. During further desiccation they decreased, while emissions of HONO and NO increased, reaching maximum values around 20% WHC. Our results illustrate simultaneous, spatially separated aerobic and anaerobic nitrogen transformations, which are critical for Nr emissions, but might be impacted by future global change and land management.
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