Sinking particle fluxes and nitrogen loss in the eastern tropical North Pacific oxygen deficient zone measured using incubating sediment traps
本研究利用东热带北太平洋缺氧区原位沉积物陷阱实验，揭示了由局部蓝细菌和迁徙浮游动物驱动的反向颗粒通量，证明了下沉颗粒是氮损失的主要来源，并提供了首次与先前氮亏缺估算值相一致的原位氮气生成率直接测量结果。
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在阳光明媚、广袤无垠的海洋上层，被称为浮游植物的微小植物生长并繁殖，构成了海洋食物网的基础。当这些生物死亡，或者动物取食它们并产生排泄物时，这些有机物质就像雪花一样向黑暗的深处飘落。在下落的过程中，细菌和其他微生物将其分解，这一过程会消耗氧气。在海洋的大部分区域，这种氧气会被洋流和混合作用迅速补充。然而，在赤道附近的特定区域，海水非常稳定，且氧气的消耗极其剧烈，以至于形成了一层几乎不存在氧气的厚水层。科学家们称之为缺氧区。在这些黑暗、缺氧的环境中，一种不同类型的微生物生命占据了主导。这些微生物不是通过呼吸氧气生存，而是利用氮化合物来生存，这一过程最终会将氮气释放回大气层。这种氮的移除是海洋化学中的一个关键环节，它像是一个刹车，限制了全球海洋所能支持的植物生命总量。
几十年来，科学家们一直试图准确理解这些区域究竟损失了多少氮，以及驱动这一过程的“燃料”来自何处。主流观点认为，氮的损失几乎完全是由从阳光充足的海表层沉降下来的有机物驱动的，就像是一场从上方飘落的死去的植物和动物的持续降雨。为了测量这一点，研究人员传统上使用长期固定的沉降陷阱，这些陷阱位于海底或漂浮在固定深度，用于收集数周或数月内飘落的碎屑。然而，这些长期的部署往往会抹平那些对系统至关重要的短期爆发活动。此外，将这些深海、缺氧区的海水样本带回海面进行测试也是极其困难的；一旦海水接触到空气，它就可能被氧气污染，从而破坏研究其中微生物所需的微妙化学平衡。
由梅根·达菲（Megan Duffy）领导的一个研究小组致力于解决这些问题，他们采取的方法是将实验室带入深海，而不是将深海带回实验室。他们在东热带太平洋部署了一种新型仪器，那里是全球最大的缺氧区所在地。这些仪器是配备了孵育室的精密自由漂浮沉积物陷 될陷阱。这些陷阱不仅仅是收集下落的颗粒，它们还可以在特定深度关闭闸门，将水和下落的颗粒一起困在内部，然后注入一种特殊的示踪剂，以此测量微生物将氮转化为气体的速度，同时让整个过程保持在自然环境中的寒冷、黑暗且无氧的高压状态下。该团队在2017年、2018年和2019年的三次航次中进行了这些实验，捕捉了缺氧层内不同深度的观测数据。
结果揭示了一个比标准模型预测的更为动态且令人惊讶的海洋景象。研究人员发现，下落颗粒的流动并未遵循数十年来预期的那种平滑、可预测的递减规律。有机物的量并没有随着下落深度的增加而简单地变薄，反而在缺氧区的某些深度反而增加了。这种“倒置通量”意味着，新鲜的有机物质并非仅仅从海表落下，而是通过就在该水层内的来源，被注入到了黑暗区的中间地带。团队确定了两个主要的本地来源。首先，在缺氧区的顶部，存在着一层由适应低光照环境的蓝细菌组成的次级绿色藻类层，它们正在生长并为下落的物质流添加新鲜材料。其次，在更深的地方，像浮游动物和小鱼之类的迁徙动物在水柱中上下移动，释放出的排泄物和碎片增加了这些特定深度的有机物。
当研究人员测量氮气产生的速率时，他们发现这些局部的有机物来源对这一过程的驱动作用比此前认为的更为显著。实验表明，生活在下落颗粒上的微生物是造成大量氮损失的原因。事实上，在深海直接测得的氮产量速率高于以往那些依赖于将水样本带回海面进行测试的研究。这表明，传统的采样方法可能错过了微生物活动最活跃的热点区域，很可能是因为驱动这些反应的大颗粒沉降速度过快，以至于无法被标准的采样瓶捕捉到。通过让颗粒与水保持在一起处于其自然环境中，这些新式陷阱捕捉到了生物活动的真实强度。
这项研究也挑战了“氮损失量严格取决于海洋表层植物生长量”的观点。虽然表层生产力确实很重要，但研究人员发现，即使表层生长情况波动巨大，下落的颗粒通量通常仍保持稳定。这是因为该系统不仅由上方掉落的东西驱动，还由黑暗区内部创造的东西驱动。蓝细菌和迁徙动物充当了“内部引擎”，它们产生新鲜的有机物，即使在表层海水相对平静时，也能维持氮移除微生物的食物供应。这一发现改变了我们对海洋氮收支运作方式的理解。它表明，随着气候变化导致这些缺氧区扩张并向新区域移动，海洋可能会通过这些内部食物来源，继续保持高水平的氮损失，而不是像人们原本认为的那样，随着表层生产力的下降而放缓。
研究人员根据他们的测量结果，计算了该地区每年的氮损失总量。他们估计，仅下落颗粒造成的氮损失每年约为24.0太克，如果计入水中的溶解成分，总损失则达到40.7太克。这些数字与早期使用不同方法得出的估算值高度吻合，这让科学家对这种新方法充满了信心。然而，核心要点不在于总量，而在于机制。这项研究证明了海洋并非仅仅是被动接收表层碎屑的容器；它是一个活跃的、自给自足的系统，其中的生命在黑暗中创造出自身的燃料，从而驱动全球氮循环。通过在自然状态下观察海洋，而不受将其带回海面所产生的干扰，该团队为这一地球上最重要的化学过程之一提供了更清晰、更准确的视角。
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