黑海亚氧化区一氧化二氮（N2O）循环机制：微生物驱动的温室气体生成与消耗耦合

这篇研究揭示了黑海亚氧化区（suboxic zone）中一氧化二氮（N2O）的低排放机制，通过稳定同位素示踪实验和宏基因组分析，发现尽管存在氨氧化（AOA）和反硝化（denitrification）等多途径N2O生成（最高20 nmol N L?1 d?1），但专性N2O还原菌（如Marinisomatales）的高效消耗（24 nmol N L?1 d?1）形成了紧密的氮循环耦合，解释了该海域N2O排放量低于其他缺氧环境的原因。

　　

水柱特征

黑海作为全球最大的永久分层海盆，其20-50米厚的亚氧化区（σ_T=15.5-16.3 kg m^?3）分隔了表层富氧水体与深层硫化氢富集的无氧核心。硝酸盐（NO₃^?）峰值（5.6-6.0 μmol L^?1）和间歇性亚硝酸盐（NO₂^?）积累（0.2 μmol L^?1）表明活跃的氮转化过程，而铵（NH₄⁺）和硫化物的垂直梯度则定义了氧化还原分层结构。

氨氧化的持续N₂O贡献

通过¹⁵N-NH₄⁺标记实验，发现氨氧化古菌（Nitrososphaerales）主导的N₂O生成（0.003-0.2 nmol N L^?1 d^?1），其产量在缺氧条件下提升3倍至0.45%，远高于纯培养数据（0.002-0.09%）。分子机制分析表明，羟胺（NH₂OH）与亚硝酸盐的杂化途径及多铜氧化酶MCO4可能参与其中，而酸性条件下细胞色素P450的副反应贡献有限。

反硝化过程的爆发性N₂O生成

¹⁵N-NO₂^?实验显示，反硝化在σ_T>16.0 kg m^?3的深层水体中产生显著N₂O（最高19.91 nmol N L^?1 d^?1），尤其在硫化物界面（8 μmol L^?1 H₂S）的化学自养菌活动中。宏基因组揭示Gamma-（如Thiopontia）和Alphaproteobacteria（如Rhodospirillales）携带nirS/nirK和新型一氧化氮还原酶（eNOR），但部分类群（如SUP05）缺乏nosZ基因，导致N₂O积累风险。

N₂O还原的微生物屏障

¹⁵N-N₂O消耗实验证实，Marinisomatales等专性还原菌通过II型NosZ（最高24.1 nmol N L^?1 d^?1）高效清除N₂O。这类菌在硫化物过渡层的优势分布，与化学自养代谢（硫氧化耦合硝酸盐还原）共同构成生物过滤器，抵消了反硝化中间产物的排放潜力。

生态与气候意义

研究提出黑海低N₂O排放的“双因素模型”：1）稳定分层限制扩散，使产N₂O（氨氧化）与耗N₂O（反硝化）微生物在空间上紧密耦合；2）表层氨氧化的持续低通量（0.16% yield）成为主要排放源。该发现为预测缺氧扩张海域的温室气体排放提供了机制框架，强调微生物功能群落的平衡对全球氮循环调控的关键作用。