原文来源：Bayer B, Kitzinger K, Paul N L, et al.,2025. Minor contribution of ammonia oxidizers to inorganic carbon fixation in the ocean. Nat. Geosci., 23, 1-8.
https://doi.org/10.1038/s41561-025-01798-x.
研究背景和科学问题
海洋是地球系统最大碳库，海洋碳汇每年吸收约三分之一的全球CO2排放量，因此对稳定全球气候具有重大作用。尽管海洋透光层浮游植物光合作用贡献了海洋最大碳固定通量，但是在透光层以下，微生物的非光合DIC固定（即暗固碳）也对海洋碳汇有显著贡献，可使全球海洋初级生产估计值提高达22%。在黑暗水域，暗固碳主要归因于微生物氧化还原化合物，获得能量的同时驱动各种无机碳固定途径。这些化能自养暗固碳形成的颗粒有机碳，也是支撑黑暗海洋中的微生物异养生长的主要碳源之一。
传统观点认为，氨氧化古菌（Ammonia-oxidizing archaea, AOA）通过利用表层沉降的颗粒有机质矿化释放的氨氮，成为海洋中最丰富的化能自养微生物，因此在驱动暗固碳过程中占据着主导地位。然而，实测数据表明，通过沉降有机氮释放的氨氮氧化过程不足以支持黑暗海洋中观测到的高碳固定速率，暗示可能存在其他被忽视的暗固碳途径或能量来源。因此，定量揭示AOA对暗固碳真实贡献率，以及评估其他微生物途径的暗固碳潜能，对全球气候变化背景下精准预测海洋碳通量和碳封存能力至关重要。
科学内涵
该研究首先在全球多处海洋水体中测量了AOA种群组成、丰度、氨氧化速率的垂向变化，发现AOA丰度占总群落高达23%，主要类群是Nitrosopelagicus，且其在透光水体丰度较低，到达透光层底部时丰度急剧增加，与透光层底部氨氧化速率达最大值而氨浓度低至检测线以下相一致（图1）。进一步，作者测定了多个站点不同水深水体中暗固碳总速率和氨氧化作用贡献的暗固碳速率的变化，通过添加特异性氨氧化抑制剂（苯乙炔，即抑制AOA氨氧化暗固碳过程），发现尽管有些培养中通过抑制氨氧化作用可以降低暗固碳效率达24%-41%，但从大量海洋水体培养中并没有观察到统计学意义上的显著抑制程度，即便在透光层底部AOA丰度较高的区域亦是如此，表明AOA在整个水柱的大部分区域对暗固碳的贡献较小（图2）。
图1 研究的海洋站点及水体中氨氧化速率，氨氮、亚硝酸盐及叶绿素a含量随水深变化。
研究也评估了其他化能自养微生物过程对暗固碳的贡献，其中可能的途径如微生物亚硝酸盐氧化作用、硫氧化作用、异养微生物吸收过程等。其中亚硝酸盐氧化暗固碳作用的规模或受限于氨氧化作用（氨氧化作用提供亚硝酸盐），或局限于缺氧水体（反硝化作用提供亚硝酸盐），因此亚硝酸盐氧化的暗固碳贡献应该相对有限，实验结果也证实了该推论。另一方面，还原性硫底物在研究的水体中含量也过低，因此硫氧化暗固碳作用贡献也极其有限。作者进一步对异养微生物暗培养发现，该过程可以有效吸收DIC（1-10%），可贡献透光层及以下浅层水体中暗固碳速率高达30%（基于10%的DIC被同化估算，图3）。
基于以上研究结果，作者指出尽管AOA氨氧化作用在海洋浅层水体中（尤其是透光层以下）暗固碳贡献较大，但仍远低于此前估算的暗固碳贡献百分比。后期需综合考虑并约束其他微生物过程（如异养微生物）的暗固碳贡献，从而建立更精准的海洋生物碳封存预测模型。
图2 海洋不同站点水体总暗固碳速率（黑线）和抑制氨氧化作用后的暗固碳速率（+PA，蓝线），表明微生物氨氧化作用暗固碳贡献普遍较低。
图3 微生物氨氧化的暗固碳作用（a）和异养同化吸收的暗固碳作用（b）。
实验室研究工作的启示
启示1：打破常规认识，深挖微生物机制和生态功能。 本研究的创新之处在于挑战了“氨氧化微生物主导海洋暗固碳”的传统观点，打破了微生物丰度与功能对等的线性关系这一常规认知，启示我们在微生物生态学研究中，需要超越简单的丰度-功能对应关系，转而采用更精细的功能活性测量方法。同时，研究也亟需从单一微生物主导机制向多微生物途径协同作用的认知升级，自然环境中微生物功能群形成的复杂作用网络，要求我们采用系统性的研究策略，同时考量多种代谢途径的相互作用和补偿效应。
启示2：深入解析微生物元素耦合循环可为建立地质微生物环境效应评估模型提供更精准边界条件。本研究突出了微生物驱动的碳氮耦合循环对海洋碳汇评估的关键影响。通过精确量化氨氧化过程的实际碳固定贡献，揭示了传统模型可能高估硝化作用对碳汇的贡献程度。目前许多微生物地质环境效应评估模型依赖于合理的边界条件假设，简化了微生物过程、机制的复杂性和时空差异性，然而这些假定参数往往与实验或真实环境观测的数据存在显著差异，因此，深入解析微生物元素耦合循环不仅能够提供更精确的模型参数，更重要的是能够完善模型的结构框架，建立模型-观测对比验证的机制，使地质微生物环境效应评估从简单的因果关系描述向复杂的系统网络分析转变，最终实现更高精度的环境预测和评估能力。
——解读人：黄柳琴
——责任编辑：吴耿
