沙质海岸氮素流失：缺氧微区的巨大作用

一些生活在沙粒上的微生物会耗尽其周围的所有氧气。它们的邻居因缺乏氧气，只好尽力而为：它们利用周围水中的硝酸盐进行反硝化作用——这一过程在氧气存在时几乎不可能发生。这种在含氧量充足的水体砂质沉积物中发生的反硝化作用，可能对海洋中的氮损失有显著贡献。

要点聚焦：

• 微小环境： 沙粒上的微生物创造了缺氧微环境。
• 重大影响： 这使得它们的邻居能够在含氧量充足的沙中进行厌氧反硝化作用。
• 全球相关性： 总体而言，这在全球范围内使含氧量充足的沙中海洋氮含量减少了高达三分之一。

人类活动，如农业，已极大地增加了输入沿海海域的氮量。微生物通过一种称为反硝化作用的过程，在沿海沙中移除了大部分这种人为产生的氮。反硝化作用通常只在无氧环境下发生。然而，观测表明它也会在含氧的沙中发生，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在揭示了这一过程：成群分布的微生物不均匀地分布于沙粒表面，耗尽其周围的氧气，从而创造出缺氧微环境，使得其他微生物得以进行反硝化作用。该研究成果现已发表于《科学报告》杂志。

微小结构的巨大效应

科学家们采用了一种名为微流控成像的方法，使他们能够在极小的尺度上可视化微生物的多样化和不均匀分布以及氧气动态。“单颗沙粒上生活着数万微生物。我们能够区分相距仅微米的耗氧微生物菌落和产氧微生物菌落，”马克斯·普朗克海洋微生物研究所的Farooq Moin Jalaluddin解释道。科学家们证明，某些微生物消耗氧气的速度超过了周围孔隙水所能补充的速度。因此，在沙粒表面形成了缺氧微区。这些区域迄今为止对常规技术而言是不可见的。然而，它们的影响是巨大的：“我们基于模型模拟的估算表明，这些缺氧微区中的厌氧反硝化作用可占含氧沙中总反硝化作用的三分之一，” Jalaluddin说道。

作为人为氮汇的全球重要性

可渗透性砂大致覆盖了地球大陆架的一半，使其在许多方面成为非常重要的栖息地。马克斯·普朗克的科学家们因此也计算了这种在单颗沙粒微小缺氧微区中新研究的氮移除形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酸盐陆架砂中总氮损失的达三分之一，”现在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说。“因此，这种反硝化作用是进入海洋的人为氮的一个重要汇。”