海洋所研究揭示西太平洋氧躍層厭氧氨氧化過程及暖渦調控機制
近日,中國科學院海洋研究所海洋生源物質循環(huán)與碳匯過程研究組在海洋氮循環(huán)關鍵過程—厭氧氨氧化(anammox)研究中取得重要突破。研究團隊利用獨特的細菌藿烷四醇立體異構體(BHT-x)作為生物標志物,揭示了西太平洋中等缺氧水體中厭氧氨氧化過程的存在及其空間分布規(guī)律,并闡明了暖渦對其垂直遷移的調控機制。相關成果發(fā)表于國際學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta(Nature Index期刊)。
厭氧氨氧化細菌通過將銨鹽與亞硝酸鹽轉化為氮氣實現(xiàn)脫氮,貢獻了全球約30%的生物可利用氮損失。傳統(tǒng)觀點認為該過程僅活躍于極端缺氧環(huán)境(O2 < 20 μmol/L)。然而,在氧含量為60–100 μmol/L的中等缺氧水體中是否發(fā)生厭氧氨氧化尚不明確。BHT-x是海洋厭氧氨氧化細菌(主要是Ca. Scalindua屬)產(chǎn)生的特異性生物標志物,相較于傳統(tǒng)的梯烷脂(ladderanes),BHT-x化學穩(wěn)定性更高,可在沉積物中長期保存,是追溯古海洋厭氧氨氧化活動的理想工具。
研究團隊基于西太平洋140°E斷面的四個站位,采集了從表層至深層(5–2000 m)的懸浮顆粒物樣品,綜合運用高效液相色譜-高分辨質譜(HPLC-HRMS)、功能基因定量(amx-16S rRNA和amoA)及物理海洋學模擬等手段,系統(tǒng)分析了BHT-x的垂直與緯度分布、功能基因及環(huán)境參數(shù)。結果表明,所有站位均同時檢測到厭氧氨氧化功能基因(amx-16S rRNA)和BHT-x,證實西太平洋氧躍層(O2 60~100 μmol/L)中存在厭氧氨氧化過程。amx-16S rRNA基因拷貝數(shù)在氧躍層或氧最小值深度(OMDs)達到峰值,而BHT-x豐度最大值出現(xiàn)在核心或下部OMDs,二者呈現(xiàn)明顯的垂直偏移,表明氧躍層產(chǎn)生的BHT-x會通過顆粒吸附向下輸送。在北赤道逆流(NECC)區(qū),暖渦活動增強了這一向下輸送過程,導致BHT-x在更深水層富集。在不受暖渦影響的站位,BHT-x比值(BHT-x / 總BHT)與溶解氧(DO)濃度呈顯著負相關(r = –0.87, p < 0.01),證實該比值可作為氧化還原變化的可靠代用指標。研究進一步揭示了厭氧氨氧化細菌與氨氧化古菌之間的營養(yǎng)競爭關系。在不受暖渦影響的站位,NO2-濃度顯著高于NH4+,氨氧化古菌占優(yōu);而在暖渦影響的站位,NO2-被大量消耗,濃度低于NH4+,厭氧氨氧化細菌占優(yōu)。這種生態(tài)位分化決定了不同水層脫氮途徑的主導性。

圖1 暖渦驅動BHT-x向下輸運的機制示意圖

圖2 厭氧氨氧化細菌(Anammox)與氨氧化古菌(AOA)在不同營養(yǎng)條件下的競爭關系示意圖
該研究在西太平洋中等缺氧水域提供了厭氧氨氧化過程的生物標志物和基因證據(jù),拓展了人們對厭氧氨氧化發(fā)生閾值的認識。研究同時指出,中尺度暖渦可通過促進顆粒物向下輸運,增強厭氧氨氧化生物標志物向深海的埋藏,這一機制可能對深海有機碳儲存具有潛在影響。研究成果為評估全球變暖背景下缺氧海域氮損失過程及生態(tài)風險提供了新的科學依據(jù)。
論文第一和通訊作者為段麗琴研究員,合作者包括宋金明研究員、劉傳玉研究員、袁華茂研究員和李學剛研究員等。研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、山東省自然科學基金等項目支持。
論文信息:
Liqin Duan*, Jinming Song, Meiling Yin, Xiaowei Wang, Chuanyu Liu, Jiawei Kan, Zhuoyue Wang, Feng Zhao, Xuegang Li, Huamao Yuan, 2026. A bacteriohopanetetrol stereoisomer in Western Pacific oxycline indicates anammox-driven nitrogen loss and warm eddy dynamics. Geochimica et Cosmochimica Acta 416, 265-278.
https://doi.org/10.1016/j.gca.2026.01.025
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