沙质海岸的氮损失：微小缺氧微区的巨大影响

一些生活在沙粒上的微生物会消耗掉其周围的所有氧气。它们的邻居在缺氧的情况下尽力而为：利用周围水体中的硝酸盐进行脱氮作用——这一过程在氧气存在时几乎不可能发生。这种在含氧量丰富水体中的砂质沉积物内发生的脱氮作用，可显著促进海洋中的氮损失。

要点提示：

• 微观环境： 沙粒上的微生物创造了缺氧微环境。
• 重大影响： 这使得邻近微生物能在富氧沙层中进行厌氧脱氮作用。
• 全球相关性： 总体而言，这种现象导致全球富氧沙层中的海洋氮损失高达三分之一。

农业等人类活动显著增加了向沿海海域输入的氮含量。微生物通过称为脱氮作用的过程，在沿海沙层中清除了大部分人为输入的氮。脱氮作用通常仅在无氧条件下发生。然而，观测表明它也能在含氧沙层中发生，其机制至今未知。德国不来梅马克斯·普朗克海洋微生物研究所的科学家们现已揭示其原理：成群微生物在沙粒表面分布不均，消耗了周围所有氧气，从而形成缺氧微环境，使其他微生物得以进行脱氮作用。该研究成果现已发表于科学报告期刊。

微小结构的巨大效应

科学家采用名为微流控成像的技术，使其能在极小尺度上可视化微生物的多样化和非均匀分布以及氧气动态。“单颗沙粒上栖息着数万微生物。我们成功区分了相距仅数微米的耗氧型和产氧型微生物菌落，”马克斯·普朗克海洋微生物研究所的Farooq Moin Jalaluddin解释道。科学家证明某些微生物消耗氧气的速度超过了周围孔隙水补充的速度，因此在沙粒表面形成缺氧微区。这些区域至今仍被常规技术所忽略。但其影响极为显著：“基于模型模拟的估算表明，这些缺氧微区内的厌氧脱氮作用可占富氧沙层总脱氮量的三分之一，”Jalaluddin指出。

作为人为氮汇的全球重要性

渗透性沙层覆盖了地球大陆架约一半面积，使其成为多方面极为重要的栖息地。马克斯·普朗克研究所的科学家们据此计算了这种在单颗沙粒缺氧微区中新研究的氮去除方式在全球尺度上的相关性。“我们发现这些缺氧微环境可能占硅质陆架砂总氮损失的近三分之一，”现任职于莱布尼茨波罗的海研究所瓦尔内明德分所的合著者Soeren Ahmerkamp表示，“因此，这种脱氮作用是进入海洋的人为氮的重要汇。”