海洋深处的微生物之谜：厌氧区如何调控强效温室气体N₂O的排放

在深海的缺氧区域，一个对地球气候平衡至关重要的复杂生化过程正在悄然发生。宾夕法尼亚大学的辛·孙（Xin Sun）领导的团队进行了一项研究，揭示了海洋微生物在这些厌氧环境中如何积极地将营养物质转化为一氧化二氮（N₂O）。N₂O是一种强效的温室气体，其捕获热量的能力大约是二氧化碳（CO₂）的300倍，同时它也是破坏臭氧层的元凶之一。

这项为期六周的观察研究在东部热带北太平洋进行，其成果于2025年发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。研究结果将科学界的关注点从单纯的化学反应转移到了微生物群落的动态变化上。科学家们确定，驱动N₂O生成的关键因素并非仅仅是化学因素，而是不同微生物群体之间的竞争。即使是氧气或营养物质供应的微小波动，也可能导致这种温室气体排放量出现剧烈波动。

为了清晰地解释这些过程的复杂性，辛·孙使用了两种“餐饮店”的比喻。硝酸盐还原途径（Nitrate Reduction Pathway）被比作一家功能齐全的“面包店”，在硝酸盐充足时效率更高。相比之下，亚硝酸盐还原途径（Nitrite Reduction Pathway）则类似于一家“专卖店”，它的运作依赖于那些在海洋环境中数量较少、偶然“漂浮”经过的亚硝酸盐。这鲜明地突显了N₂O的排放量与起始反应物（前体物质）的可用性之间存在直接的关联。

该研究还揭示了一个关键发现：增加氧气水平并非简单地“关闭”N₂O的生产。相反，氧气富集会导致主导的微生物种群发生更替，由新的种群接管气体的生成过程。正如孙所指出的，氧气改变了“掌舵者”。更值得注意的是，向系统中添加过量的营养物质，几乎可以完全抑制气体的释放，因为它排挤了主要的N₂O生成微生物。这种微妙的微生物生态“舞蹈”，是调控气体排放的关键所在。

理解这些复杂的相互作用对于构建精确的气候模型具有首要的意义。一氧化二氮可以在大气中停留长达114年，是三种主要人为温室气体之一。自工业化前水平以来，其浓度已经增加了22%。由洋流和细菌相互作用导致的海洋缺氧区域的扩大，不仅威胁着海洋生态系统，还会削弱海洋吸收二氧化碳的能力，从而加剧全球变暖。将这些微观的微生物动态纳入气候模型，将使我们能够更准确地预测人类活动如何影响地球最偏远的角落。