不來梅科學家的新發現將有助於進一步發展包括海洋氮循環的生物地球化學模型。在海洋豐產區的深海中，有一種被稱為”海洋雪”的有機物質的持續分佈。海雪不僅看起來像真正的雪，而且行為也類似。大的雪片很少，而且落得很快，而高度豐富的小雪片則需要時間。

來自不來梅和基爾的科學家們現在發現，正是這些特徵解釋了為什麼小顆粒對海洋的營養平衡起著重要作用。這些發現現在已經發表在《自然通訊》上，並將有助於進一步開發包括海洋氮循環的生物地球化學模型。

來自馬克斯·普朗克海洋微生物研究所、馬克斯·普朗克氣象研究所和GEOMAR·亥姆霍茲基爾海洋研究中心的一個科學家團隊一直在研究秘魯附近的南太平洋東部氧氣最小區的生物地球化學過程，這是世界海洋中最大的低氧區之一。研究人員專注於不同大小的所謂海洋雪顆粒，這些顆粒由海藻碎片和其他有機物質組成，旨在了解這些顆粒如何影響最低氧區的氮循環。

因此，他們解決了一個長期存在的難題：集中在顆粒內的營養物質如何到達自由懸浮在水體中的無氧細菌。

氧氣最小區是海洋中很少或沒有氧氣溶解在水中的區域。由於大多數動物需要氧氣來呼吸，它們無法在這些水體中生存。毫不奇怪，最低氧區也被稱為海洋死亡區。氧氣最低區是一種自然現象，但由於人類活動的影響，已經發現在海洋的許多地區正在擴大。全球變暖導致了氧氣濃度的下降，因為溫暖的水儲存的氧氣較少。較熱的表層水也較少與下面的深層冷水混合，從而導致水流停滯。

地圖上有一個氧氣最低區的概述。最大的位於中美洲和南美洲的近海，但在波羅的海也可以找到氧氣不足的區域。紅框標誌著秘魯附近的氧氣最低區，本研究在那裡採集了樣品。

氮循環的變化也對海洋氧氣濃度產生了有害的影響。氮是動物和植物生長所需的一種重要營養物質。通常在海洋中很罕見，但在許多沿海地區，可加工的氮化合物已變得越來越多。人類在農業上使用大量的含氮化合物的肥料，如銨和硝酸鹽，這些營養物質通過河流和大氣進入海洋，導致氮的濃度越來越高。

這造成了嚴重的後果，額外的營養物質促進了浮游植物的生長。當浮游生物死亡時，它們會被細菌分解，在這個過程中細菌消耗了氧氣，促使氧氣濃度下降。一旦氧氣被完全消耗，厭氧微生物過程就會接管，在此期間，微生物基本上是”呼吸”氮化合物來代替氧氣，結果是將硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨轉化為氮氣並釋放到大氣中。

結合起來，缺氧微生物的呼吸過程和氧氣最小區的反硝化作用導致了海洋中高達40%的氮的損失。然而，人們對最低氧區的微生物失氮過程的調節仍然知之甚少。這項研究的重點是anammox過程，即用亞硝酸鹽進行厭氧銨氧化。

在他們的項目中，研究人員跟踪觀察到，當以海洋雪粒形式存在的有機物特別多的時候，無氧氧化過程就特別多。他們的假設是，含有大量固定氮的有機物可以作為無氧反應的銨的來源。奇怪的是，無氧菌似乎並不生活在海雪本身上，而是生活在水體中。那麼，這些細菌是如何找到它們的營養物質的呢？

Clarissa Karthäuser在實驗室裡。在屏幕上，你看到一個彩色的、高度放大的顆粒。

為了解開這個謎題，科學家們使用水下攝像機測量秘魯外海最小含氧量區不同站點深度剖面上的顆粒豐度。”我們觀察到ammox過程主要發生在小顆粒豐富的地方，”Clarissa Karthäuser說，她和Soeren Ahmerkamp是該論文的第一作者。”這表明，較小的顆粒比較大的顆粒對缺氧過程更重要–這裡的小是指它們的大小與人的頭髮寬度差不多，因此幾乎不可見。

這些小顆粒在水體中非常豐富，下沉速度也很慢，因此它們在氧氣最小區域停留的時間更長。另外，有機材料在小顆粒中的包裝更加密集，因此小片狀的顆粒所運輸的物質數量與大塊狀的顆粒相似，這意味著總體上它們運輸的氮明顯更多。

“我們估計，顆粒周圍的銨濃度明顯增加，”Soeren Ahmerkamp說。”這表明了兩件事。首先，較小的顆粒在水體中的數量較多，停留時間較長，增加了細菌偶然遇到小顆粒的可能性。其次，顆粒邊界層中的高銨濃度隨後可以為細菌提供營養”。

新的發現對於地球系統模型的改進至關重要。不來梅馬克斯·普朗克海洋微生物研究所生物地球化學部主任Marcel Kuypers說：”通過這項研究，我們已經解決了ammox過程的一個重要方面，從而為更好地理解海洋的營養平衡做出了重要貢獻。通過這種改進的過程理解，我們提供了粒子相關過程和氧最小區的氮循環之間的聯繫，這可以在生物地球化學地球系統模型中進行調整，以更好地評估人為的脫氧對氮循環的影響”。