海洋缺氧区硝酸盐还原主导氧化亚氮生成机制的生态模型与实验验证

《Nature Communications》：Mechanistic understanding of nitrate reduction as the dominant production pathway of nitrous oxide in marine oxygen minimum zones

本研究针对海洋缺氧区(OMZ)作为氧化亚氮(N2O)主要来源但生成机制不清的问题，通过15N同位素示踪实验和生态系统模型，揭示了NO3-→N2O途径占主导的微生物生态机制。研究发现该途径的微生物不依赖环境亚硝酸盐、对氧气具有异质性响应，且有机质类型调控其活性，为精准预测海洋N2O排放提供了理论依据。

　　

在深邃的海洋中，存在一些特殊的低氧区域——海洋缺氧区（Oxygen Minimum Zones, OMZ），这些区域虽然只占海洋体积的不足2%，却是温室气体氧化亚氮（N₂O）的“热点”排放源。N₂O的全球增温潜势是二氧化碳的300倍，同时也是破坏臭氧层的元凶之一。海洋贡献了约35%的全球自然N₂O排放，然而，由于对N₂O生成途径的机制理解尚不完善，当前对海洋N₂O收支的估算存在很大不确定性，这严重阻碍了在全球变化背景下对N₂O排放的准确预测。

在OMZ的黑暗底层水体中，N₂O主要来自微生物的代谢过程。以往研究已确认，硝酸盐（NO₃^-）还原为N₂O（即NO₃^-→N₂O）是OMZ中N₂O最主要的生成途径，其速率比来自氨氧化（NH₄⁺→N<2>O）或亚硝酸盐还原（NO₂^-→N₂O）的途径高出一到两个数量级。但这一现象背后存在一个令人费解的谜题：既然NO₃^-→N₂O途径必须经过亚硝酸盐（NO₂^-）这一中间步骤，为何其速率反而远高于直接利用环境中NO₂^-的途径？一个关键假说认为，执行NO₃^-→N₂O的微生物可能不与其周围环境交换NO₂^-，但这一假说缺乏实验证据。此外，氧气（O₂）和有机质（Organic Matter, OM）如何调控这一途径的生态位，以及不同来源的OM是否会产生不同影响，都是悬而未决的问题。

为了回答这些问题，由Xin Sun和Claudia Frey领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的最新研究成果。他们结合了在东热带北太平洋（Eastern Tropical North Pacific, ETNP）OMZ进行的¹⁵N稳定同位素培养实验，以及一个更新的生态系统模型，从微生物生态学的角度深入揭示了NO₃^-→N₂O途径占主导地位的机制及其环境调控因素。

研究团队主要运用了以下几项关键技术：1. 基于¹⁵N标记硝酸盐的稳定同位素培养实验，用于精确量化N₂O各生成途径的速率；2. 氧气和亚硝酸盐添加的调控实验，结合光学传感器实时监测瓶内氧气浓度，以评估环境因子对微生物活性的影响；3. 利用原位泵采集不同深度和粒径的自然颗粒有机质（POM），进行有机质添加实验；4. 构建了一个包含多种微生物功能群（如好氧异养菌、不同步骤的反硝化菌、氨氧化古菌等）的零维生态系统模型，该模型基于各代谢途径的氧化还原化学进行参数化，而非预设的氧气抑制函数，从而让生态位自然涌现。

大多数NO₃^-→N₂O反硝化菌不利用环境NO₂^-

研究人员通过同位素稀释实验（添加¹⁵N-NO₃^-和不同浓度的未标记NO₂^-）发现，即使添加高达17.5 μM的NO₂^-，也未能显著抑制NO₃^-→N₂O的速率。这一关键证据表明，负责该途径的微生物群落确实不与其外部环境显著交换NO₂^-。这意味着NO₃^-→N₂O和NO₂^-→N₂O是由两个不同的微生物功能群执行的，而非同一群微生物内部的连续反应步骤。因此，海洋N₂O生产网络可以概念化为三个相对独立的过程，分别对应三个不同的微生物功能群：NO₃^-还原型反硝化菌、NO₂^-还原型反硝化菌和氨氧化古菌（Ammonia-Oxidizing Archaea, AOA）。这种功能分区暗示了每种N₂O生产途径占据着独特的生态位。

NO₃^-→N₂O途径与氧气兼容

氧气是调控N₂O循环的关键环境因子。通过向培养瓶中添加不同量的空气平衡海水，并利用传感器直接监测瓶内O₂浓度，研究发现NO₃^-→N₂O途径对O₂的响应是异质性的，并非遵循一条平滑的抑制曲线。虽然O₂添加总体上会抑制该途径，但在某些缺氧层样品中，即使瓶内O₂浓度超过10 μM，仍能检测到显著的N₂O生成速率。更值得注意的是，在原位O₂浓度高达200 μM的水体中也检测到了虽然较低但显著的NO₃^-→N₂O速率。这些观测结果挑战了传统上认为该途径仅严格存在于厌氧环境中的观点。

NO₃^-→N₂O反硝化菌的生态位

为了解释上述复杂的观测现象，研究人员利用生态系统模型进行了分析。模型成功再现了在O₂低于1 μM时N₂O积累至数百纳摩尔的现象。模型结果显示，NO₃^-→N₂O速率随O₂浓度增加而降低，但其表观的氧气敏感性（即稳态O₂浓度与NO₃^-→N₂O速率的关系）还受到有机质（OM）供应率的影响。较高的OM供应率增强了该途径的耐氧性。模型进一步揭示了微生物功能群之间复杂的竞争和互作关系（如好氧异养菌、反硝化菌、亚硝酸盐氧化细菌NOB和氨氧化古菌AOA之间的相互作用）是导致N₂O产生速率与O₂浓度关系呈现异质性的根本原因。模型预测，在有氧条件下，NH₄⁺→N₂O（与好氧的氨氧化过程相关）成为N₂O生产的主要贡献者；而在低氧条件下，NO₃^-→N₂O是主导途径。氧-缺氧界面因此成为NO₃^-→N₂O反硝化菌的关键生态位。

有机质的类型至关重要

尽管OM对调控异养的NO₃^-→N₂O途径至关重要，但其影响的研究相对较少。本研究通过添加不同来源和粒径的自然POM以及商业酪蛋白氨基酸发现，OM的类型显著影响N₂O的产生。最能刺激NO₃^-→N₂O速率的OM并非碳浓度最高或氮碳比最高的OM，而是来自深层叶绿素最大层（Deep Chlorophyll Maximum）、粒径大于2μm的OM，这被认为是浮游植物新产生的“高质量”OM，更受异养微生物的青睐。研究推测，本地化的、微生物经常接触的OM类型可能对其更有利。此外，缺氧层的微生物对OM添加的响应比氧跃层更为敏感，可能与深层原位OM可用性较低有关。

结论与展望

本研究通过实验与模型相结合，从微生物生态学机制上阐明了海洋OMZ中主导的N₂O生产途径——NO₃^-→N₂O。研究证实了该途径由一类不依赖环境NO₂^-的独特微生物功能群执行，其对O₂的响应因微生物群落互作和OM供应而呈现异质性，并且受OM类型的显著调控。这些发现强调了将N₂O产生途径视为由不同功能群执行的、具有生态位分区的独立过程的重要性，而非简单的连续化学反应。

然而，全面理解OMZ中的N₂O循环仍面临挑战。例如，对AOA产生N₂O的多种潜在途径的化学计量学理解仍不充分；模型竞争性地排除了NO₂^-→N₂O途径，但其在自然环境中确实存在，未来需要在更复杂的模型中考虑物理过程导致的NO_{2-积累等机制；精确表征OM化学组成并将其与特定微生物过程联系起来仍是前沿难题。}

总之，这项研究为构建更准确的全球海洋N₂O排放模型奠定了坚实的机制基础。随着全球变暖可能导致OMZ扩张，深刻理解其内部N₂O产生的调控机制对于预测未来气候变化下的温室气体反馈至关重要。未来的研究需要整合实验方法、机制模型和理论分析的多学科手段，以逐步攻克这些挑战。