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地球化學(xué) 微小的雪花狀有機物在海洋生態(tài)中發(fā)揮著重要作用

不來梅科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)將有助于進一步發(fā)展包括海洋氮循環(huán)的生物地球化學(xué)模型。在海洋豐產(chǎn)區(qū)的深海中，有一種被稱為 "海洋雪"的有機物質(zhì)的持續(xù)分布。海雪不僅看起來像真正的雪，而且行為也類似。大的雪片很少，而且落得很快，而高度豐富的小雪片則需要時間。
來自不來梅和基爾的科學(xué)家們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，正是這些特征解釋了為什么小顆粒對海洋的營養(yǎng)平衡起著重要作用。這些發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表在《自然通訊》上，并將有助于進一步開發(fā)包括海洋氮循環(huán)的生物地球化學(xué)模型。
地球化學(xué) 微小的雪花狀有機物在海洋生態(tài)中發(fā)揮著重要作用
文章插圖
來自馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、馬克斯·普朗克氣象研究所和GEOMAR·亥姆霍茲基爾海洋研究中心的一個科學(xué)家團隊一直在研究秘魯附近的南太平洋東部氧氣最小區(qū)的生物地球化學(xué)過程，這是世界海洋中最大的低氧區(qū)之一。研究人員專注于不同大小的所謂海洋雪顆粒，這些顆粒由海藻碎片和其他有機物質(zhì)組成，旨在了解這些顆粒如何影響最低氧區(qū)的氮循環(huán)。
因此，他們解決了一個長期存在的難題：集中在顆粒內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)如何到達自由懸浮在水體中的無氧細菌。
氧氣最小區(qū)是海洋中很少或沒有氧氣溶解在水中的區(qū)域。由于大多數(shù)動物需要氧氣來呼吸，它們無法在這些水體中生存。毫不奇怪，最低氧區(qū)也被稱為海洋死亡區(qū)。氧氣最低區(qū)是一種自然現(xiàn)象，但由于人類活動的影響，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在海洋的許多地區(qū)正在擴大。全球變暖導(dǎo)致了氧氣濃度的下降，因為溫暖的水儲存的氧氣較少。較熱的表層水也較少與下面的深層冷水混合，從而導(dǎo)致水流停滯。
地球化學(xué) 微小的雪花狀有機物在海洋生態(tài)中發(fā)揮著重要作用
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地圖上有一個氧氣最低區(qū)的概述。最大的位于中美洲和南美洲的近海，但在波羅的海也可以找到氧氣不足的區(qū)域。紅框標(biāo)志著秘魯附近的氧氣最低區(qū)，本研究在那里采集了樣品。
氮循環(huán)的變化也對海洋氧氣濃度產(chǎn)生了有害的影響。氮是動物和植物生長所需的一種重要營養(yǎng)物質(zhì)。通常在海洋中很罕見，但在許多沿海地區(qū)，可加工的氮化合物已變得越來越多。人類在農(nóng)業(yè)上使用大量的含氮化合物的肥料，如銨和硝酸鹽，這些營養(yǎng)物質(zhì)通過河流和大氣進入海洋，導(dǎo)致氮的濃度越來越高。
這造成了嚴重的后果，額外的營養(yǎng)物質(zhì)促進了浮游植物的生長。當(dāng)浮游生物死亡時，它們會被細菌分解，在這個過程中細菌消耗了氧氣，促使氧氣濃度下降。一旦氧氣被完全消耗，厭氧微生物過程就會接管，在此期間，微生物基本上是 "呼吸"氮化合物來代替氧氣，結(jié)果是將硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨轉(zhuǎn)化為氮氣并釋放到大氣中。
結(jié)合起來，缺氧微生物的呼吸過程和氧氣最小區(qū)的反硝化作用導(dǎo)致了海洋中高達40%的氮的損失。然而，人們對最低氧區(qū)的微生物失氮過程的調(diào)節(jié)仍然知之甚少。這項研究的重點是anammox過程，即用亞硝酸鹽進行厭氧銨氧化。
在他們的項目中，研究人員跟蹤觀察到，當(dāng)以海洋雪粒形式存在的有機物特別多的時候，無氧氧化過程就特別多。他們的假設(shè)是，含有大量固定氮的有機物可以作為無氧反應(yīng)的銨的來源。奇怪的是，無氧菌似乎并不生活在海雪本身上，而是生活在水體中。那么，這些細菌是如何找到它們的營養(yǎng)物質(zhì)的呢？
地球化學(xué) 微小的雪花狀有機物在海洋生態(tài)中發(fā)揮著重要作用
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Clarissa Karth?user在實驗室里。在屏幕上，你看到一個彩色的、高度放大的顆粒。
為了解開這個謎題，科學(xué)家們使用水下攝像機測量秘魯外海最小含氧量區(qū)不同站點深度剖面上的顆粒豐度。"我們觀察到ammox過程主要發(fā)生在小顆粒豐富的地方，"Clarissa Karth?user說，她和Soeren Ahmerkamp是該論文的第一作者。"這表明，較小的顆粒比較大的顆粒對缺氧過程更重要--這里的小是指它們的大小與人的頭發(fā)寬度差不多，因此幾乎不可見。
這些小顆粒在水體中非常豐富，下沉速度也很慢，因此它們在氧氣最小區(qū)域停留的時間更長。另外，有機材料在小顆粒中的包裝更加密集，因此小片狀的顆粒所運輸?shù)奈镔|(zhì)數(shù)量與大塊狀的顆粒相似，這意味著總體上它們運輸?shù)牡黠@更多。
"我們估計，顆粒周圍的銨濃度明顯增加，"Soeren Ahmerkamp說。"這表明了兩件事。首先，較小的顆粒在水體中的數(shù)量較多，停留時間較長，增加了細菌偶然遇到小顆粒的可能性。其次，顆粒邊界層中的高銨濃度隨后可以為細菌提供營養(yǎng)"。
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