最深海洋中微生物氮循环的秘密，对深渊微生物过程的新见解

深海，尤其是深海带（最深、最极端的环境，如马里亚纳海沟），拥有独特的微生物生态系统，这些微生物进行着重要的生物地球化学过程，包括氮循环。这些微生物群落对氮循环做出了重大贡献，而氮循环是地球生物地球化学过程的重要组成部分。最近的一项研究为了解这些极端环境中微生物的多样性和活性提供了有趣的见解。

海洋中氮循环的重要性

海洋中的氮循环在调节初级生产力和维持海洋生态系统的生态平衡方面起着至关重要的作用。氮是海洋生物的关键营养物质，其可用性直接影响浮游植物的生长，而浮游植物是海洋食物网的基础。该循环包括氮化合物的多种转化，例如氮固定、硝化、反硝化和厌氧氨氧化（厌氧氨氧化）。这些过程主要由微生物介导，微生物能够将氮从惰性形式（如 N₂）转化为生物可利用形式（如铵和硝酸盐），反之亦然。

海洋中的微生物氮循环过程受到各种因素的影响，包括营养物供应、氧气水平和微生物群落结构。这些因素在不同海洋区域差异很大，尤其是考虑到海洋最深处的极端环境，那里的物理条件（如高压、低温和有限的营养物供应）对微生物生命构成了重大挑战。

微生物对极深海洋的适应

海洋最深处的区域被称为深渊区，从大约 6,000 米延伸到海底（马里亚纳海沟最深可达 11,000 米）。这些区域的特点是环境条件极端，包括高压、低温和极低的光照。尽管面临这些挑战，但这些栖息地的微生物在推动生物地球化学循环（包括氮循环）方面发挥着重要作用。

深海微生物面临的最大挑战之一是深海的巨大压力。在 10,000 米深处，压力可达到海平面的 1,000 多倍。此外，温度通常略高于冰点。这些环境中的微生物必须具备特殊的适应能力才能在这些极端条件下生存。

除了压力和温度之外，深海营养物质的稀缺性也是影响微生物生命的关键因素。深海从地表水获得的有机物质输入极少，营养物质通常仅限于碎屑或上升流等少量偶发性输入。尽管面临这些挑战，但包括马里亚纳海沟在内的海洋最深处的微生物已经发展出获取营养物质的专门机制，包括氮固定和反硝化。

深海中一个关键问题是深海微生物如何在能量输入如此低、必需营养物质获取有限的环境中茁壮成长。有研究已经开始揭示深海微生物在这些恶劣条件下进行氮循环的分子机制，例如耐寒酶和耐压代谢途径的表达。

最近的研究已经发现了几种能够在这种极端环境中进行氮循环过程的微生物物种，尽管确切的适应机制仍不太清楚。人们认为这些地区的微生物群落高度适应在营养缺乏的环境中生存。研究表明，一些物种，如烷烃氧化酮杆菌属物种，能够固定惰性 N₂，这一过程可能在补充营养有限地区的氮储量方面发挥关键作用。

氮循环中的关键微生物过程

深海中的氮循环涉及几种不同的微生物过程，每种过程在氮在不同形态之间的转化中都发挥着关键作用。这些过程由专门的微生物群驱动，它们进行氮固定、硝化、反硝化和厌氧氨氧化。下面，我们将重点介绍这些关键过程及其负责的微生物。

氮固定是将大气中的氮 (N₂) 转化为生物可利用形式（例如铵 (NH₄⁺)）的过程。该过程由固氮微生物（称为固氮菌）进行。在地表水中，氮固定已得到充分证实，但深海中氮固定的程度仍不清楚。一些研究人员提出，氮固定可能是深海环境中的一个重要过程，特别是在马里亚纳海沟等营养有限的地区。

深海栖息地固氮微生物的多样性仍在研究中。有研究表明，这些环境中的一些微生物，如某些酮杆菌属物种，能够在深海带的极端条件下固氮。这些微生物在如此深度进行固氮的能力可能与它们对低营养物质供应和高压的代谢适应有关。

反硝化作用是在厌氧条件下将硝酸盐 (NO₃⁻) 还原为氮气 (N₂) 的过程。该过程对于去除海洋生态系统中的过量氮和促进全球氮循环至关重要。在深海中，反硝化作用被认为发生在缺氧环境中，例如在深海沉积物中发现的环境。

深海中负责反硝化的微生物种类繁多，既有自养的，也有异养的。这些微生物在缺氧的情况下利用硝酸盐作为终端电子受体，促进氮化合物的转化。相关的研究表明，反硝化是马里亚纳海沟氮循环中的一个重要过程，硝酸盐还原可能有助于控制这些营养受限区域中氮的生物利用度。

厌氧氨氧化是氮循环中的一个关键过程，涉及在厌氧条件下将铵 (NH₄⁺) 和亚硝酸盐 (NO₂⁻) 转化为氮气 (N₂)。该过程由专门的厌氧氨氧化细菌介导，这些细菌在氮去除中起着至关重要的作用，特别是在缺氧环境中。厌氧氨氧化细菌已在各种海洋环境中被发现，包括深海栖息地。

在马里亚纳海沟和其他深海区域，厌氧氨氧化细菌被认为在控制氮水平方面发挥着关键作用。最新的研究表明，厌氧氨氧化细菌可能表现出代谢灵活性，可能根据氧气水平波动在有氧呼吸和无氧呼吸之间切换。这种灵活性可能使这些细菌能够在深海氧气变化的环境中茁壮成长。

新的研究发现

一项新的研究，对海洋最深处，特别是深海带微生物氮循环及微生物如何适应极端条件和参与全球生物地球化学循环提供了突破性的见解。研究人员进行了深海探险，从马里亚纳海沟等极端环境中收集样本。这些探险使他们能够研究生活在高压、低温和有限光照下的微生物群落。

研究发现，海洋最深处参与氮循环过程的微生物具有高度多样性。这些极端环境中的微生物群落已经进化出独特的代谢途径，以应对极端压力、低温和有限的营养物质供应。具体而言，参与厌氧氨氧化(厌氧氨氧化) 和反硝化的细菌被发现在这些环境中的氮转化中发挥关键作用。

一个特别值得注意的发现是，通常在低氧环境中进行厌氧氨氧化的厌氧氨氧化菌也可能能够在氧气水平波动的情况下进行有氧呼吸。这种能力使它们能够适应深海中氧气供应的变化，例如马里亚纳海沟，那里的氧气稀缺，但会因局部环境条件而波动。

研究表明，海洋最深处的微生物，例如马里亚纳海沟中的微生物，已经发展出适应极端条件下生存的策略。这些策略包括独特的代谢途径和使用替代形式能量和营养物质的能力。例如，厌氧氨氧化细菌和反硝化菌可以调整其呼吸机制以应对波动的氧气浓度和营养限制。深海氮循环，特别是在深渊环境中，可能在气候调节中发挥关键作用。氮固定、反硝化和厌氧氨氧化等微生物过程可能会影响海洋中氮的可用性，这与海洋生态系统的生产力和碳循环直接相关

思考

深海，尤其是深渊区，具有极高的压力、寒冷的温度和营养匮乏的特点。在这样的条件下，微生物群落如何生存并进行关键的氮循环过程？

氮固定是补充营养贫乏环境中氮库的重要过程。虽然氮固定已在地表水中得到充分证实，但深海带中固氮微生物的范围和多样性仍未得到充分探索。哪些微生物能够在深海中固定氮，它们的生态作用是什么？

深海拥有复杂的微生物生态系统。在这种极端条件下，微生物如何合作或竞争进行氮循环过程，如硝化、反硝化和厌氧氨氧化？

参考文献：Yuhan Huang , Xinxu Zhang, Yu Xin, Jiwei Tian, Meng Li，Distinct microbial nitrogen cycling processes in the deepest part of the ocean.  doi.org/10.1128/msystems.00243-24

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