DNRA stimulates aerobic microbial processes and restructures the surface planktonic community in the Chilean OMZ
通过将异养硝酸盐还原为铵（DNRA）过程整合到智利沿岸海洋最小氧区（OMZ）的生物地球化学模型中，研究表明，尽管 DNRA 主要通过促进氮循环回收而对氧气水平影响极小，但它却出人意料地通过增强的硝化作用降低了亚硝酸盐和铵的浓度，从而刺激了表层水中大型浮游植物和浮游动物的生长。
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海洋并非一个静止的水池，而是一个由营养物质运动驱动的、巨大的呼吸引擎。在这台引擎的核心，存在着氮——这是一种对所有海洋生物（从微小的单细胞藻类到最大的鲸鱼）都至关重要的化学元素。在世界许多地方，海洋都处于缺氮状态，其可用性决定了海洋能够支撑多少生命。然而，在被称为“氧极小值区”（Oxygen Minimum Zones）的特定区域，情况变得更加复杂。这些是深层水域，其中的氧气消耗速度快于补充速度，从而创造了一个近乎窒息的环境。在这些黑暗、低氧的领域中，适用的是一套不同的规则。微生物接管了这里，在无氧的情况下分解有机物，这一过程往往会剥夺海洋中可用的氮，将其转化为气体并逃逸到大气中。几十年来，科学家们一直认为这些区域主要是氮永久流失的地方，是一个限制海洋生产力的生物死端。
一支研究团队现在通过关注一种特定的微生物过程——异养硝酸盐还原为铵（DNRA），挑战了这一长期以来的观点。虽然这个名字听起来很专业，但其机制非常简单：在缺乏氧气的情况下，某些细菌将硝酸盐（氮的一种形式）直接转化为铵（另一种植物可以利用的形式）。与那些将氮移出系统的过程不同，DNRA 使其保持循环。通过为智利中部海岸海域（这里是地球上最强烈的氧极小值区之一）构建一个复杂的计算机模型，科学家们模拟了当这种回收过程活跃时会发生什么。他们发现，DNRA 不仅仅是向混合物中添加更多的铵；相反，它触发了一场连锁反应，从根本上重组了整个生态系统，将一个氮流失区转变为一个氮保存区和令人惊喜的新生长区。
研究人员为智利海岸构建了一个“数字孪生”体，该地区有来自深处的寒冷且营养丰富的海水上升，为浮游生物的大规模爆发提供了动力。他们编写程序，将 DNRA 过程纳入模型，尽管该过程在真实海洋中已被观察到，但从未被完全整合进大规模模拟中。随后，他们运行了两种情景：一种是不存在 DNRA 的情况，代表了关于这些水域运作方式的传统观点；另一种是 DNRA 活跃的情况。结果是违反直觉的。科学家们原以为，通过产生更多的铵，DNRA 只会增加水中这种营养物质的浓度。然而，模型显示，DNRA 的存在实际上导致了铵和亚硝酸盐的水平显著下降，分别下降了 2 倍和 5 倍。
这种悖论之所以发生，是因为 DNRA 产生的铵立即被另一类微生物——硝化细菌抓取了。这些需氧生物能迅速将新生成的铵氧化回硝酸盐。这创造了一个紧密且高效的循环，使氮在不同的化学形式之间不断循环，而不是累积或逃逸。通过这种快速循环产生的硝酸盐，随后被洋流向上输送至阳光充足的表层水域。在那里，它充当了一种强大的肥料，但带有一个转折：额外的硝酸盐并没有喂养通常在该海域占主导地位的小型单细胞藻类，而是促进了大型浮游植物（如硅藻）的生长，而硅藻是更复杂食物网的基础。
这种食物网底层的转变向上层产生了连锁反应。随着大型浮游植物的繁荣，它们支撑了大型浮游动物（即取食它们的微小甲壳动物）的激增。相反，小型浮游植物和小型浮游动物的数量则出现了下降。模型显示，整个生态系统正在围绕这种新的营养流进行自我重构。这一过程也改变了氮流失的平衡。在没有 DNRA 的传统情景下，海洋通过将固定氮转化为气体的过程损失了大量的氮。而在 DNRA 活跃的情况下，这些流失路径受到了抑制。由于对营养物质的竞争，可用于将氮从系统中剥离的细菌所能获得的氮减少了，从而有效地将氮锁在了海洋的食物网内，使其再次为生命所用。
研究还强调了物理洋流在这一生物舞蹈中的关键作用。由风力和地球自转驱动的海水上升运动，将回收的硝酸盐从深层、缺氧的层位带到了表层。这种物理运输是连接深层微生物活动与表层生态系统的桥梁。研究人员发现，这种耦合是非常稳固的；即使他们调整了模型的参数，以考虑细菌工作速度的不确定性或触发过程所需的精确含氧量，主要结果依然保持不变。系统始终向着氮保存的状态转变，即深层的回收过程刺激了表层的生产力。
这些发现表明，将氧极小值区仅视为氮流失荒漠的经典图景可能是不完整的。在 DNRA 活跃的区域，这些区域可能不仅是流失区，而是作为内部循环的引擎，维持着比此前认为的更高的生产力水平。这项研究并不声称已经解决了全球氮循环的所有谜团，也不暗示这一过程发生在所有地方。然而，它提供了一个基于模拟的有力论据，证明如果忽略 DNRA，会导致严重低估海洋保留氮的能力以及食物网的结构。研究人员强调，他们的工作指向了对现实海洋进行更频繁、更详细测量（特别是针对表层和深层水域中铵水平的测量）的必要性，以确认自然界的表现是否正如他们的数字模型所预测的那样。通过揭示微观过程如何重塑从深海到表层的生命丰度，这项研究为观察海洋这一复杂、互联的机械装置提供了一个全新的视角。
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