海洋微生物的秘密，它们如何影响地球气候？

海洋是全球生命支持系统，海洋变暖、酸化、缺氧和氮沉降等气候变化因素会改变海洋中脆弱的微生物种群。海洋微生物群落在一氧化二氮和甲烷等温室气体的产生中起着重要作用。科学家已经探索了气候变化对海洋微生物的影响。他们的研究有助于提高人们对气候变化严重性和海洋资源重要性的认识。

海洋是地球重要的生命支持系统，它在全球气候调节中发挥着重要作用。海洋吸收了人类活动产生的大部分碳排放和大气热量。多年来，这导致了海洋变暖 (OW)、海洋酸化 (OA) 和海洋缺氧 (OD)。此外，人为氮沉降 (AND) 的增加极大地影响了海洋环境。作为这些后果的一部分，一氧化二氮 (N 2 O) 和甲烷 (CH 4 ) 气体主要由生活在海洋中的“原核生物”或微生物控制。虽然一些研究已经详细分析了这些过程，但它们对海洋生态系统的共同影响尚未得到研究。

最近的一项研究中，由仁川国立大学海洋科学副教授 Il-Nam Kim 领导的研究小组评估了整个西北太平洋由于 OW、OA、OD 和 AND 的共同影响而导致的原核生物种群变化和代谢改变。

研究小组同时研究了气候变化对海洋表层（SL）、中层（IL）和深层（DL）的影响。利用生物地球化学分析和微生物基因组测序评估了微生物群落及其在调节N 2 O和CH 4循环中的功能潜力。

结果表明，从SL到DL的原核生物与气候变化驱动因素密切相关。从长远来看，WNPO 敏感的海洋生态系统可能因 N2O 生成增加和随之而来的 pH 值改变而受到不利影响，最终导致 CH4排放增加。这些发现与目前假设的原核生物和与气候变化有关的生物地球化学过程的潜力有所不同。

这项研究将有助于提高人们对气候变化的严重性和海洋资源重要性的认识。

参考文献：Satheeswaran Thangaraj, Hyo-Ryeon Kim, Jang-Mu Heo, Seunghyun Son, Jongseong Ryu, Jong-Woo Park, Ju-Hyoung Kim, Seo-Young Kim, Hae-Kun Jung, Il-Nam Kim. Unraveling prokaryotic diversity distribution and functional pattern on nitrogen and methane cycling in the subtropical Western North Pacific Ocean. Marine Pollution Bulletin, 2023; 196: 115569 DOI: 10.1016/j.marpolbul.2023.115569

一、原核生物，地球上最古老的生命形式

什么是原核生物？原核生物是地球上出现最早、结构最简单的单细胞生物。它们没有成形的细胞核，遗传物质直接裸露在细胞质中。细菌和古菌是原核生物的两个主要类群。

原核生物在地球生态系统中扮演着至关重要的角色，它们无所不在，从深海热液喷口到极地冰川，从人体肠道到土壤深处，都能找到它们的身影。

原核生物是地球上最主要的分解者，它们能将动植物的尸体和排泄物分解成简单的无机物，从而参与物质的循环。一些原核生物，如蓝细菌，能够进行光合作用，固定大气中的二氧化碳，生产有机物，为其他生物提供食物和能量。

一些原核生物能够将大气中的氮气转化为植物可利用的氮肥，从而提高土壤肥力。原核生物与其他生物之间存在着复杂的相互作用，它们维持着生态系统的平衡。

在人类生产活动中，乳酸菌、酵母菌等原核生物在食品发酵、酿造等方面发挥着重要作用。许多抗生素、维生素等药物都是由原核生物产生的。原核生物可以用来处理污水、降解污染物，保护环境。

二、什么是氮循环？什么是甲烷循环？

1、什么是氮循环

氮循环是自然界中氮元素在不同化合物之间相互转换的过程。对于海洋生态系统来说，氮是必不可少的营养元素，它参与了蛋白质、核酸等生物大分子的合成。

• 氮的固定： 一些海洋细菌能够将大气中的氮气转化为氨，这是海洋生物利用氮的起始步骤。
• 硝化作用： 氨在海洋中被硝化细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，这些形式的氮更容易被藻类吸收利用。
• 反硝化作用： 在缺氧条件下，一些细菌将硝酸盐还原为氮气返回大气，完成氮循环。

2、什么是甲烷循环

甲烷是一种强效温室气体，它在海洋中的循环对全球气候变化有着重要影响。

• 甲烷产生： 海洋中的甲烷主要由甲烷古菌产生，它们在缺氧环境下，通过将二氧化碳或乙酸转化为甲烷来获取能量。
• 甲烷氧化： 一些海洋细菌能够将甲烷氧化为二氧化碳，从而减少甲烷对大气层的温室效应。

为什么氮循环和甲烷循环对海洋生态系统如此重要？氮是海洋植物生长所必需的营养元素，氮循环的效率直接影响海洋初级生产力，进而影响整个海洋食物网。不同的氮化合物浓度会影响海洋生物的种类和数量，从而影响海洋生物多样性。甲烷是重要的温室气体，海洋中的甲烷循环对全球气候变化有着重要影响。甲烷的排放和氧化过程会影响海洋对气候变化的响应。甲烷氧化过程中产生的二氧化碳会增加海洋的酸度，进而影响海洋生物的生长和发育。

总结来说，氮循环和甲烷循环是海洋生态系统中两个非常重要的生物地球化学过程。它们不仅影响海洋初级生产力、生物多样性，而且对全球气候变化也具有重要影响。

三、这项研究的意义

Satheeswaran Thangaraj等人的这项研究通过深入探究亚热带西太平洋海域原核生物的多样性分布及其在氮和甲烷循环中的功能角色，为我们揭示了海洋生态系统中微生物的重要作用，并对多个领域产生了深远影响。

1、对海洋生态系统理解的贡献：

• 研究表明，原核生物在海洋生态系统中扮演着关键角色，它们驱动着氮和甲烷循环，影响着海洋的初级生产力、生物多样性以及物质循环。
• 多样性与功能： 通过揭示原核生物多样性与功能之间的关系，有助于我们更深入地理解海洋生态系统的复杂性，为构建更精确的海洋生态模型提供数据支持。
• 区域差异： 研究结果表明，不同海域的原核生物群落组成和功能差异显著，这提示我们应更加关注区域尺度的海洋生态过程。

2、对气候变化研究的启示

• 碳循环： 氮和甲烷循环与全球碳循环密切相关，研究结果有助于我们更好地评估海洋在全球碳循环中的作用，以及气候变化对海洋碳循环的影响。
• 温室气体： 甲烷是一种强效温室气体，研究揭示了海洋中甲烷的产生和氧化过程，为我们量化海洋甲烷排放提供了新的依据，有助于更准确地评估海洋对气候变化的贡献。
• 海洋酸化： 甲烷氧化过程会产生二氧化碳，加剧海洋酸化，研究结果有助于我们预测未来海洋酸化趋势，并评估其对海洋生态系统的影响。

3、对海洋环境保护的意义

• 生物多样性保护： 研究结果强调了保护海洋生物多样性的重要性，特别是原核生物作为海洋生态系统的重要组成部分，应受到重视。
• 污染物降解： 一些原核生物具有降解污染物的功能，研究结果可为开发利用微生物技术修复海洋污染提供理论基础。
• 生态系统评估： 通过监测原核生物群落的变化，可以作为评估海洋生态系统健康状况的生物指标。

四、思考

Satheeswaran Thangaraj等人的这项研究为我们揭示了亚热带西太平洋海域原核生物在氮和甲烷循环中的重要作用，为后续研究提供了许多有价值的启示。那么：

不同温度和盐度条件下，原核生物的群落结构和功能如何响应？是否存在特定的耐盐或耐温物种？营养盐浓度变化如何影响原核生物的代谢途径和功能基因表达？海洋酸化对原核生物的生理生态以及氮、甲烷循环有何影响？

气候变化导致的海洋升温、酸化和脱氧等过程，如何改变原核生物的分布和功能？海洋污染、过度捕捞等人类活动对原核生物群落有何影响？赤潮、有害藻华等极端事件如何影响原核生物的群落结构和功能？

这些有趣的问题旨在激发你的思考，助你更深入地理解，希望能为你带来新的启示和帮助。

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