全球变暖背景下加利福尼亚湾缺氧区微生物多样性与碳氮耦合的生物地球化学潜力研究

研究人员针对全球变暖背景下加利福尼亚湾南部缺氧区(OMZ)的微生物群落结构与功能展开研究，通过16S rRNA基因测序和理化参数分析，揭示了该区域存在活跃的氮循环（包括固氮和反硝化）及碳氮耦合潜力，为理解海洋低氧环境微生物驱动的元素循环机制提供了重要基线数据。

　　

在浩瀚的海洋中，隐藏着一片特殊的"死亡海域"——氧最小区（Oxygen Minimum Zone, OMZ）。这里溶解氧浓度极低，却孕育着惊人的微生物活动，驱动着全球重要的生物地球化学循环。随着全球变暖加剧，OMZ正在扩张，可能压缩海洋生物栖息地并影响生态系统服务。然而，人们对这些低氧环境中微生物的多样性和功能认知仍然有限，特别是在生物多样性热点区域加利福尼亚湾（GC）。这里不仅拥有丰富的生物资源，还存在着广阔的OMZ，其微生物驱动的碳氮耦合过程对全球元素循环具有重要意义。

墨西哥国立地球科学学院（Escuela Nacional de Ciencias de la Tierra）的研究团队在《Journal of Marine Systems》发表了一项开创性研究。他们通过对加利福尼亚湾南部不同海洋环境（包括沿海、浅海和OMZ）的微生物群落进行跨系统比较，结合环境参数分析，揭示了在变暖背景下该区域微生物多样性特征及其在碳氮循环中的关键作用。研究发现该区域存在显著的升温趋势，并在OMZ中发现了丰富的固氮微生物，这些发现为理解海洋低氧环境的微生物生态功能提供了重要基线数据。

研究人员采用了多学科交叉的研究方法：通过16S rRNA基因V4区扩增子测序（Illumina MiSeq平台）分析不同生境的微生物群落结构；利用Winkler法测定溶解氧，连续流动自动分析仪检测营养盐（NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-等）；结合2003-2021年MODIS卫星海表温度数据评估区域变暖趋势；运用非度量多维标度（NMDS）和典范对应分析（CCA）等统计方法解析环境因子与微生物群落的关系。

研究结果部分呈现了丰富发现：

3.1 近期变暖和丰富OMZ是加利福尼亚湾南部的特征
海表温度分析显示2003-2021年间该区域持续变暖，南部Pescadero盆地（GC-S1）升温速率最高（0.075°C/年）。垂直剖面显示三个缺氧盆地（Alfonso、Pescadero和Farallon）存在明显的氧和营养盐分层，其中铵在表层富集，亚硝酸盐在氧跃层出现峰值。

3.2 加利福尼亚湾南部异质环境的原核生物多样性特征
微生物群落分析显示，氧跃层底部样品具有最高的ASV数量和Shannon多样性指数。Proteobacteria（11-70%）和Cyanobacteria（1-78%）是优势菌门，其中Rhizobiales在深层样品中丰度显著，并与甲基营养菌存在显著相关性。

3.3 原核生物群落跨系统比较
研究发现：1）蓝藻和叶绿体序列在表层和OMZ样品中占主导，其中聚球藻属（Synechococcus）和原绿球藻属（Prochlorococcus）在GC-S1 OMZ样品中占比高达50%；2）α-变形菌纲的Rhodobacterales在浅海和沿海环境富集，而Rhizobiales和Caulobacterales在氧跃层占优；3）OMZ中存在潜在的厌氧氨氧化（anammox）菌（如Scalindua）和硝酸盐/亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（n-DAMO）微生物。

3.4 反硝化（N损失潜力）和固氮作用补偿营养损失的整合证据
N*参数分析和微生物组成表明，OMZ中同时存在反硝化损失和固氮补充机制。Alfonso盆地（LPB-S36）表现出更显著的氮损失特征，而固氮微生物（如Rhizobiales）的丰度与甲基营养菌显著相关，暗示碳氮循环耦合。

3.5 硝化作用和氨氧化的整合证据
表层水中丰富的氨氧化古菌（AOA）和细菌（如Nitrospinales）表明活跃的硝化过程，这些微生物可能为下层的nirK群落提供底物。

这项研究的重要意义在于：首次建立了加利福尼亚湾南部微生物多样性的区域基线，证实了OMZ中同时存在氮损失和固氮过程，揭示了碳氮耦合的微生物机制。特别是发现深层水体中Rhizobiales可能是重要的固氮菌群，而非传统认知的蓝藻，这一发现改变了人们对海洋氮循环的理解。在气候变暖背景下，这些认识对预测OMZ扩张对海洋生态系统的影响至关重要。研究还暗示甲烷氧化与氮循环可能存在耦合，为未来研究指明了新方向。这些发现不仅丰富了海洋微生物生态学理论，也为全球变化背景下的海洋生物地球化学模型提供了关键参数。