微小的雪花状有机物在海洋生态中发挥着重要作用

来自不来梅和基尔的科学家们现在发现，正是这些特征解释了为什么小颗粒对海洋的营养平衡起着重要作用。这些发现现在已经发表在《自然通讯》上，并将有助于进一步开发包括海洋氮循环的生物地球化学模型。

来自马克斯·普朗克海洋微生物研究所、马克斯·普朗克气象研究所和GEOMAR·亥姆霍兹基尔海洋研究中心的一个科学家团队一直在研究秘鲁附近的南太平洋东部氧气最小区的生物地球化学过程，这是世界海洋中最大的低氧区之一。研究人员专注于不同大小的所谓海洋雪颗粒，这些颗粒由海藻碎片和其他有机物质组成，旨在了解这些颗粒如何影响最低氧区的氮循环。

因此，他们解决了一个长期存在的难题：集中在颗粒内的营养物质如何到达自由悬浮在水体中的无氧细菌。

氧气最小区是海洋中很少或没有氧气溶解在水中的区域。由于大多数动物需要氧气来呼吸，它们无法在这些水体中生存。毫不奇怪，最低氧区也被称为海洋死亡区。氧气最低区是一种自然现象，但由于人类活动的影响，已经发现在海洋的许多地区正在扩大。全球变暖导致了氧气浓度的下降，因为温暖的水储存的氧气较少。较热的表层水也较少与下面的深层冷水混合，从而导致水流停滞。

地图上有一个氧气最低区的概述。最大的位于中美洲和南美洲的近海，但在波罗的海也可以找到氧气不足的区域。红框标志着秘鲁附近的氧气最低区，本研究在那里采集了样品。

氮循环的变化也对海洋氧气浓度产生了有害的影响。氮是动物和植物生长所需的一种重要营养物质。通常在海洋中很罕见，但在许多沿海地区，可加工的氮化合物已变得越来越多。人类在农业上使用大量的含氮化合物的肥料，如铵和硝酸盐，这些营养物质通过河流和大气进入海洋，导致氮的浓度越来越高。

这造成了严重的后果，额外的营养物质促进了浮游植物的生长。当浮游生物死亡时，它们会被细菌分解，在这个过程中细菌消耗了氧气，促使氧气浓度下降。一旦氧气被完全消耗，厌氧微生物过程就会接管，在此期间，微生物基本上是 "呼吸"氮化合物来代替氧气，结果是将硝酸盐、亚硝酸盐和铵转化为氮气并释放到大气中。

结合起来，缺氧微生物的呼吸过程和氧气最小区的反硝化作用导致了海洋中高达40%的氮的损失。然而，人们对最低氧区的微生物失氮过程的调节仍然知之甚少。这项研究的重点是anammox过程，即用亚硝酸盐进行厌氧铵氧化。

在他们的项目中，研究人员跟踪观察到，当以海洋雪粒形式存在的有机物特别多的时候，无氧氧化过程就特别多。他们的假设是，含有大量固定氮的有机物可以作为无氧反应的铵的来源。奇怪的是，无氧菌似乎并不生活在海雪本身上，而是生活在水体中。那么，这些细菌是如何找到它们的营养物质的呢？

Clarissa Karthäuser在实验室里。在屏幕上，你看到一个彩色的、高度放大的颗粒。

为了解开这个谜题，科学家们使用水下摄像机测量秘鲁外海最小含氧量区不同站点深度剖面上的颗粒丰度。"我们观察到ammox过程主要发生在小颗粒丰富的地方，"Clarissa Karthäuser说，她和Soeren Ahmerkamp是该论文的第一作者。"这表明，较小的颗粒比较大的颗粒对缺氧过程更重要--这里的小是指它们的大小与人的头发宽度差不多，因此几乎不可见。

这些小颗粒在水体中非常丰富，下沉速度也很慢，因此它们在氧气最小区域停留的时间更长。另外，有机材料在小颗粒中的包装更加密集，因此小片状的颗粒所运输的物质数量与大块状的颗粒相似，这意味着总体上它们运输的氮明显更多。

"我们估计，颗粒周围的铵浓度明显增加，"Soeren Ahmerkamp说。"这表明了两件事。首先，较小的颗粒在水体中的数量较多，停留时间较长，增加了细菌偶然遇到小颗粒的可能性。其次，颗粒边界层中的高铵浓度随后可以为细菌提供营养"。

新的发现对于地球系统模型的改进至关重要。不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所生物地球化学部主任Marcel Kuypers说："通过这项研究，我们已经解决了ammox过程的一个重要方面，从而为更好地理解海洋的营养平衡做出了重要贡献。通过这种改进的过程理解，我们提供了粒子相关过程和氧最小区的氮循环之间的联系，这可以在生物地球化学地球系统模型中进行调整，以更好地评估人为的脱氧对氮循环的影响"。