生活在沙粒上的某些微生物会消耗其周围的所有氧气。邻近的微生物因氧气耗尽而退而求其次：它们利用周围水体中的硝酸盐进行反硝化作用——这一过程在氧气存在时几乎无法实现。这种发生于富氧水体底部沙质沉积物中的反硝化现象，可对海洋系统中的氮流失产生重要贡献。
生活在沙粒表面的部分微生物会耗尽周围所有氧气。它们的邻居在缺氧环境中启动适应性机制：利用水体中的硝酸盐进行反硝化作用——这种过程在富氧条件下几乎无法进行。这种发生在富氧砂质沉积物中的反硝化作用，可显著影响海洋系统的氮素流失。
核心发现：
- 微观缺氧环境：沙粒表面的微生物通过不均匀分布形成缺氧微区。
- 宏观生态效应：这些微区使邻近微生物能在富氧砂质环境中进行厌氧反硝化。
- 全球影响权重：该机制贡献了全球硅酸盐陆架砂中高达1/3的氮素流失量。
农业等人类活动导致近海氮输入激增，而微生物通过反硝作用清除了大部分人为氮源。传统理论认为该过程仅发生于缺氧环境，但德国马克斯·普朗克海洋微生物研究所通过微流控成像技术揭示了新机制：沙粒表面微生物集群的耗氧活动形成微米级缺氧"口袋"，为反硝菌创造生存空间。
显微结构决定宏观功能
研究团队利用微流控成像技术，首次实现了单颗沙粒表面微生物分布与氧动态的可视化。"单颗沙粒栖息着数万微生物，我们区分出相距仅微米的耗氧菌与产氧菌集群"，主要作者Farooq Moin Jalaluddin解释道。实验显示，部分微生物群落的耗氧速率超过孔隙水补氧能力，形成传统技术无法检测的缺氧微区。模型推算表明，这些微区内进行的反硝化贡献了富氧砂质环境总反硝量的74%。
全球氮循环的关键汇
渗透性砂质沉积覆盖全球大陆架50%面积，其生态功能具有全球意义。研究团队通过全球数据集推演，发现沙粒表面缺氧微环境驱动的反硝化可承担硅酸盐陆架砂总氮损失的32%。"这构成了人为氮输入海洋的重要汇"，合作作者Soeren Ahmerkamp强调。研究还发现，高球形度沙粒表面凹陷结构(类似高尔夫球纹理)最有利于微生物定殖与溶质交换，这类形态特征通过促进孔隙水对流显著提升反硝效率。