PNAS | 海洋缺氧区微生物生态系统动力学驱使氮损失波动
华盛顿大学学者Justin L. Penn等人于2019年3月25日在《PNAS》上发表了题目为《Microbial ecosystem dynamics drive fluctuating nitrogen loss in marine anoxic zones》的文章。该文章分析了一个海洋缺氧区中微生物生态系统的数据约束模型，证明了即使在稳定的环境中，好氧和厌氧微生物对稀缺资源的竞争也会随着时间的推移推动海洋氮损失率的波动。近一个世纪以来，人们一直在理想化的模型中对生物振荡进行理论推导，本研究首次以海洋环流的三维数据约束模型展示了这一现象。
摘要综述
生物可利用氮(N)是限制生物活性速率的关键大量营养素。在海洋中，硝酸盐(NO3−)是生物可利用氮的主要形式，其浓度在缺氧区通过厌氧还原生成生物不可利用的N2形式。
过去研究认为，海洋缺氧区氮损失的动力学是由气候对海洋环流和生物生产力的影响所驱动。本研究分析了一个缺氧区中微生物生态系统的数据约束模型，证明即使在没有气候变化的情况下，物种间的相互作用也会导致局部和区域尺度的氮损失波动。这主要是通过对氧的生物消耗和物理恢复，好氧硝化细菌和厌氧反硝化细菌的竞争优势交替出现，这种生物振荡导致在缺氧区形成独特的地球化学特征，在测量剖面中发现短时间的铵氮峰值。研究结果为在海洋中观察到的这些无法解释的变化机制提供了一种重要模型。
意义
生物可利用氮(N)是限制海洋初级生产力的一种重要营养物质，据认为，由于海洋低氧带的气候胁迫作用，生物可利用氮的去除有所不同。在此，我们证明了即使在稳定的环境中，好氧和厌氧微生物对稀缺资源的竞争也会随着时间的推移推动海洋氮损失率的波动。近一个世纪以来，人们一直在理想化的模型中对生物振荡进行理论推导，但本文首次以海洋环流的三维数据约束模型展示了这一现象。在环境样品中检测到预测的波动的地球化学特征。这与先前被忽视的自然变异来源与异养和自养途径氮去除优势的经验相互矛盾相一致。
文中主要图片说明
图1 | 北太平洋东部热带缺氧区(ODZs)全域和局部氮损失率的自然变化时间序列。(A)表示跨东部热带北太平洋在空间上集成标准模型模拟(黑色)和敏感案例(灰色和颜色)中的速率(1 Tg N y-1=1012 g N y-1)。(B)具有典型生态系统振荡的地区氮损失率的时间序列(12°N, 90°W at 100 m and 25°N, 113°W at 400 m)。
图2 | 缺氧区(ODZs)内生态驱动振荡的空间分布。振荡振幅(颜色)的空间分布沿ODZ(20-28°N)带状截面。振幅根据每10年最大值和最小值之间的差计算。(A)是氮的损失率，(B)是氧的消耗量，(C)是NH4+的浓度 ，(D)是NO2-浓度。
图3 | 生态系统振荡的动力学。在一个缺氧带与氧化海洋之间的次缺氧边界的典型位置，关键生态系统变量NH4+和O2的空间振荡情况。(A)是NO2-浓度(μM), (B) NO2-氧化消耗O2的速率(μM O2y-1), (C)厌氧氨氧化对总N2产生量的贡献，(D)总氮气生成的速率。
图4 | 在模型模拟和观测中，来自北太平洋东部热带缺氧区域(ODZs)NH4+浓度的深度剖面图。在标准模型模拟中，粉红色圆圈代表生态系统振荡，蓝色圆点代表净初级生产力的季节循环，黑色菱形代表观察值。
图5 | 随着时间的推移，厌氧氨氧化（anammox）对总氮气产量（famx）的贡献。从115 m到450 m，总famx在代表位置的时间序列。在氧化-缺氧界面（oxycline），famx可以在很大范围内变化，暂时掩盖其时间平均梯度（蓝色、青色和黄色线）。在NO2-最大值的一半范围内，famx接近0.28的值，振荡较弱（橙色、红色和灰色线）。实线表示ODZ的中心，而虚线则来自其边缘。右轴上的线条表示厌氧氨氧化对氮损失的时间平均贡献。
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