Bí ẩn vi sinh vật đại dương: Cách các vùng yếm khí kiểm soát sự phát thải khí nhà kính N₂O mạnh mẽ

Tại những tầng sâu thẳm của đại dương, nơi ánh sáng không thể chạm tới và oxy gần như cạn kiệt, một chu trình sinh hóa phức tạp đang diễn ra, đóng vai trò then chốt trong việc điều tiết cán cân khí hậu toàn cầu. Một nghiên cứu đột phá do nhóm của Xin Sun, thuộc Đại học Pennsylvania, thực hiện đã làm sáng tỏ cơ chế này. Họ phát hiện ra rằng các vi sinh vật sống trong các khu vực yếm khí (thiếu oxy) này có khả năng chuyển hóa các chất dinh dưỡng thành nitơ oxit (N₂O). Đây là một loại khí nhà kính cực kỳ mạnh mẽ, có khả năng giữ nhiệt gấp khoảng 300 lần so với carbon dioxide (CO₂), và đáng lo ngại hơn, nó còn là tác nhân gây suy giảm tầng ôzôn bảo vệ Trái Đất.

Nghiên cứu kéo dài sáu tuần, được tiến hành tại khu vực Đông Thái Bình Dương Nhiệt đới phía Bắc và công bố trên tạp chí Nature Communications vào năm 2025, đã tạo ra một bước ngoặt trong cách các nhà khoa học nhìn nhận về vấn đề này. Trước đây, trọng tâm thường đặt vào các phản ứng hóa học đơn thuần, nhưng giờ đây, sự chú ý đã chuyển sang động lực phức tạp của các cộng đồng vi sinh vật. Các nhà nghiên cứu đã kết luận rằng sự cạnh tranh khốc liệt giữa các nhóm vi khuẩn khác nhau, chứ không chỉ là các yếu tố hóa học môi trường, mới là lực lượng chính thúc đẩy quá trình sản sinh N₂O. Điều này giải thích tại sao chỉ cần những dao động nhỏ trong nguồn cung cấp oxy hoặc chất dinh dưỡng cũng có thể gây ra những đợt tăng vọt đáng kể, khó lường trong việc giải phóng khí nhà kính này.

Để giúp mọi người dễ hình dung hơn về sự phức tạp của chu trình chuyển hóa này, Xin Sun đã đưa ra một phép so sánh độc đáo. Bà ví Con đường Khử Nitrat (Nitrate Reduction Pathway) như một tiệm bánh hoạt động hết công suất, cực kỳ hiệu quả khi nguồn nitrat dồi dào. Ngược lại, Con đường Khử Nitrit (Nitrite Reduction Pathway) lại giống như một cửa hàng chuyên biệt, chỉ có thể hoạt động khi các nitrit—một nguồn cung hạn chế hơn trong môi trường biển—tình cờ "lướt qua". Phép ẩn dụ này nhấn mạnh rằng lượng khí N₂O phát thải phụ thuộc trực tiếp vào sự sẵn có và loại hình của các hợp chất khởi đầu trong hệ sinh thái biển.

Một phát hiện quan trọng khác của nghiên cứu là tác động ngược đời của oxy. Việc tăng cường mức oxy không hề "ngắt" hoàn toàn quá trình sản xuất N₂O như nhiều người vẫn nghĩ. Thay vào đó, sự gia tăng oxy chỉ làm thay đổi các quần thể vi sinh vật chiếm ưu thế; những nhóm vi khuẩn mới này sẽ nhanh chóng tiếp quản và tiếp tục quá trình tạo khí. Như Sun đã mô tả, oxy chỉ thay đổi những kẻ "cầm quyền" trong hệ thống. Đáng chú ý hơn, việc bổ sung quá nhiều chất dinh dưỡng vào môi trường lại gần như ức chế hoàn toàn sự phát thải khí, do nó làm suy yếu và đẩy lùi các vi khuẩn chủ chốt sản xuất N₂O. Sự cân bằng mong manh và "vũ điệu" sinh thái vi sinh vật này chính là chìa khóa để kiểm soát lượng khí thải N₂O từ đại dương.

Việc nắm bắt được những tương tác vi mô nhưng có ảnh hưởng vĩ mô này là điều kiện tiên quyết để xây dựng các mô hình khí hậu toàn cầu chính xác hơn. Nitơ oxit, với tuổi thọ trong khí quyển lên đến 114 năm, là một trong ba loại khí nhà kính nhân tạo quan trọng nhất. Kể từ thời kỳ tiền công nghiệp, nồng độ N₂O đã tăng 22%. Sự mở rộng không ngừng của các khu vực thiếu oxy trong đại dương, vốn là kết quả của sự tương tác giữa các dòng hải lưu và hoạt động của vi khuẩn, không chỉ gây nguy hiểm cho các hệ sinh thái biển mà còn làm giảm khả năng hấp thụ CO₂ của đại dương, từ đó làm trầm trọng thêm tình trạng nóng lên toàn cầu. Chỉ khi tích hợp động lực vi sinh vật phức tạp này vào các mô hình dự báo, chúng ta mới có thể đánh giá đúng mức độ tác động của hoạt động nhân loại lên những khu vực xa xôi nhất của hành tinh.