海洋深處的微生物之謎：缺氧區如何調控強效溫室氣體一氧化二氮的排放

在廣袤的海洋深處，存在著缺乏氧氣的區域，這些區域正發生著複雜的生物化學過程，對地球的氣候平衡至關重要。由賓夕法尼亞大學的孫鑫（Xin Sun）所領導的研究團隊揭示，在這些厭氧環境中，海洋微生物會積極地將營養物質轉化為一氧化二氮（$ ext{N}_2 ext{O}$）。這種氣體是一種強效的溫室效應媒介，其捕獲熱量的能力約是二氧化碳（$ ext{CO}_2$）的300倍，同時它也是破壞臭氧層的元兇之一。

這項研究的成果已於2025年發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上，內容基於在東部熱帶北太平洋進行的為期六週的觀測數據。該發現將科學界的關注焦點，從單純的化學反應轉移到了動態變化的微生物群落上。科學家們確認，產生$ ext{N}_2 ext{O}$的主要驅動力，並非僅是化學因素，而是不同微生物群體之間的激烈競爭。即使是氧氣或營養物質供應的微小波動，都可能導致這種溫室氣體的釋放量出現急劇的跳躍式增長。

為了闡釋這些過程的複雜性，孫鑫研究員巧妙地使用了兩種「小吃店」的比喻。硝酸鹽還原途徑（Nitrate Reduction Pathway）就好比一家設備齊全的麵包店，當硝酸鹽供應充足時，它的效率極高。相較之下，亞硝酸鹽還原途徑（Nitrite Reduction Pathway）則類似於一家專門店，它的運作取決於海洋環境中較為稀少的亞硝酸鹽是否「碰巧游過」。這清楚地突顯了$ ext{N}_2 ext{O}$的排放量與其初始反應物的可用性之間存在直接且關鍵的關聯。

該研究還揭示了一個出乎意料的現象：氧氣水平的增加並非簡單地「關閉」了$ ext{N}_2 ext{O}$的生產。恰恰相反，富氧環境會導致主導地位的微生物群落發生轉換，由新的群體接手氣體的生成過程。正如孫鑫所指出的，氧氣改變了「掌舵者」。更值得注意的是，若向系統中添加過量的營養物質，反而會幾乎完全抑制氣體的釋放，將那些主要的$ ext{N}_2 ext{O}$生產微生物排擠出去。這種微妙的微生物生態平衡，正是調控氣體排放的關鍵所在。

理解這些錯綜複雜的相互作用，對於建立精確的氣候模型具有首要意義。一氧化二氮作為三種主要人為溫室氣體之一，可以在大氣中存留長達114年。自工業化前水平以來，其濃度已增加了22%。由於洋流與細菌活動的共同作用，海洋中缺氧區域的擴大不僅威脅著海洋生態系統，同時也削弱了海洋吸收$ ext{CO}_2$的能力，從而加劇了全球暖化。將這些微生物動力學納入氣候模型，將使我們能夠更準確地預測人類活動對地球最偏遠角落的影響。