沙质海岸的氮素流失：微小缺氧微区的巨大影响

一些生活在沙粒上的微生物会耗尽其周围的所有氧气。它们的邻居在缺氧的情况下尽力而为：它们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。这种在富氧水体砂质沉积物中发生的脱氮作用，能显著促进海洋中的氮素损失。

核心发现：

• 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在富氧砂质环境中进行厌氧脱氮作用。
• 全球相关性： 总体而言，这在全球富氧砂质环境中减少了高达三分之一的海洋氮含量。

人类活动，如农业，已急剧增加了向近海输入的氮量。微生物通过脱氮作用在近海砂质沉积物中清除了大部分人为来源的氮。脱氮作用通常只在无氧条件下发生。然而，观测表明它也发生在富氧砂质环境中，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：成群的不均匀分布于沙粒表面的微生物消耗了周围所有的氧气，从而创造了缺氧微环境，使得其他微生物能够进行脱氮作用。该成果现已发表于《科学报告》期刊。

微小结构的巨大效应

科学家们采用了一种称为微流控成像的方法，使其能够在极小尺度上可视化微生物的多样性与不均匀分布以及氧气动态。“单颗沙粒上生活着数万微生物。我们得以分辨出相距仅微米级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。科学家们证实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，沙粒表面形成了缺氧微区。这些微区至今仍无法被常规技术观测到。然而，其影响是巨大的：“基于模型模拟的估算显示，这些缺氧微区内的厌氧脱氮作用可占富氧砂质沉积物总脱氮量的三分之一，”Jalaluddin表示。

作为人为氮汇的全球重要性

可渗透砂质沉积物大致覆盖了地球大陆架的半数区域，使其成为多方面非常重要的生境。马克斯·普朗克的科学家们由此也计算了这种在单颗沙粒缺氧微区内新研究的脱氮形式在全球尺度上的相关性。“我们发现这些缺氧微环境可占硅质陆架砂总氮损失量的三分之一，”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指出。“因此，这种脱氮作用是进入海洋的人为氮的重要汇。”