南海海盆非缺氧中层水体中微生物反硝化作用的高潜力及其对氮循环的启示

本研究揭示了南海海盆非缺氧中层水体（溶解氧饱和度20%~30%）中存在显著的微生物反硝化（denitrification）潜力，通过15N同位素示踪实验结合功能基因（narG/nirS）分析，发现颗粒物（SPM）和颗粒有机碳（POC）是驱动反硝化作用的关键因素，挑战了传统缺氧区（DO < 2 μmol/L）才发生反硝化的认知，为边缘海氮收支评估提供了新视角。

　　

引言

微生物反硝化作用在非极端缺氧海洋环境中的发现近年来备受关注，正重塑对海洋氮（N）汇空间格局的传统认知。南海（SCS）作为西太平洋最大的半封闭边缘海，其海盆区非缺氧的次表层和中层水体具备微生物反硝化发生的潜在有利条件，但长期以来被忽视且未充分探索。本研究通过综合¹⁵N同位素示踪培养实验、功能基因表征及水化学参数分析，首次系统揭示了南海海盆中层水体（600~1500 m）的反硝化潜力及其调控机制。

材料与方法

研究基于2021年夏季南海中部沿113°E经线的5个站位采样，聚焦300~1500 m水深范围，覆盖典型溶解氧（DO）最低区。海水样品通过 Seabird SBE-911 plus CTD系统采集，分析了DO、溶解无机氮（DIN）、悬浮颗粒物（SPM）和颗粒有机碳（POC）等参数。反硝化速率测定采用¹⁵NO₃-N同位素示踪技术，并在模拟缺氧条件下进行培养验证。功能基因narG（编码硝酸盐还原酶）和nirS（编码亚硝酸盐还原酶）的丰度通过荧光定量PCR（qPCR）测定，检测限分别为50 copies/mL和10 copies/mL。数据统计分析采用PCA、RDA和Spearman相关方法，多重比较经FDR校正。

结果

水化学参数空间分布

DO垂直分布显示，表层水体（0~100 m）DO饱和度约50%，中层水体（600~1500 m）DO浓度最低达78.8~90.6 μmol/L（饱和度25.3%~28.7%），远高于传统缺氧阈值（2 μmol/L）。NO_x（NO₃-N+NO₂-N）浓度随深度增加，中层水体达21.97~31.25 μmol/L。SPM（0.10~0.86 mg/L）和POC（0.08~1.17 μmol C/L）在800~1000 m深度出现峰值，且呈现北高南低的水平梯度。

反硝化速率与功能基因

在原位DO条件下，仅28.6%的培养检测到反硝化活性（R_in-situ为0.20~1.07 nmol N₂/L/d），且全部发生于中层水体。潜在反硝化速率（R_potential）在模拟缺氧条件下显著升高（0.16~32.8 nmol N₂/L/d），与典型缺氧区（ODZs）速率相当。功能基因narG（0.55×10⁵~12.5×10⁵ copies/L）和nirS（0.14×10⁴~5.51×10⁴ copies/L）丰度在中层水体700~1000 m深度最高，且两者显著相关（R²=0.82），表明硝酸盐还原与亚硝酸盐还原步骤协同作用。

反硝化动力学特征

通过低浓度¹⁵NO₃-N添加实验，计算得出反硝化过程的半饱和常数（K_m）为2.41±0.19 μmol/L，与已知反硝化菌亲和力一致，表明南海水体NO₃-N底物充足。表观一级动力学系数（k）与SPM和POC含量显著相关，证实颗粒物通过提供界面微环境增强酶活性。

讨论

反硝化诱导机制

南海中层水体反硝化的发生源于两方面机制：一是反硝化菌对中等DO水平（80~120 μmol/L）的适应性，如假单胞菌（Pseudomonas）和副球菌（Paracoccus）等属可在DO饱和度低于70%时启动反硝化功能；二是颗粒物（SPM）形成的缺氧微环境，其有机质富集表面为附着菌群提供了厌氧代谢位点。统计分析显示，反硝化速率和基因丰度与DO显著负相关，与SPM和POC显著正相关，表明低DO诱导基因表达，而颗粒物进一步激活代谢活性。

颗粒物与反硝化的耦合关系

南海中层水体持续的高颗粒物负荷（主要源于陆地输入、上升流和沉积物再悬浮）为反硝化提供了碳源和物理载体。指数回归模型表明，SPM和POC与R_potential及nirS丰度的拟合优度高于线性模型，反映非线性调控关系。这一耦合机制通过“颗粒物传输-缺氧微环境形成-有机碳供给”链条维持了 basin-scale 的反硝化潜力。

生态意义与框架构建

整合估算显示，南海中层水体原位反硝化通量（175.1 μmol N/m²/d）与上层固氮作用输入相当，潜在通量（6.39 mmol N/m²/d）显著高于硝化速率（0.1~100 nmol/L/d），表明其对氮收支有重要影响。研究提出“颗粒动力学-微生物氮移除”耦合框架，为重新评估非缺氧海洋环境氮循环提供了新范式。

结论

本研究证实南海非缺氧中层水体存在显著微生物反硝化潜力，其由低环境DO和颗粒物微环境共同诱导，且受有机碳和水文动力过程调控。功能基因丰度、动力学参数与颗粒物的强关联性揭示了界面代谢的核心作用。这一发现拓宽了对海洋氮汇空间格局的认知，强调需在非缺氧环境中重新评估氮循环模型。未来需结合多季节观测与模型模拟，深入探究反硝化对南海营养盐平衡及初级生产力的影响。