在广阔的海洋中，除了那些肉眼可见的海洋生物，还有一个庞大的微生物帝国。这个隐形的群体产生了全球至少一半的氧气，推动着碳元素与氮元素的持续循环……在这个复杂的 络中，氨氧化古菌是不可或缺的一环。
这类古菌占据了海洋微型浮游生物的30%，是海洋氮循环的重要环节。它们利用氧气，将氨气转化为海洋中最重要的无机氮源——亚硝酸盐。简单地说，就是这样的方程式：NH3+1.5O2 NO2?+ H2O + H+。
但是，近些年的发现却让这些氨氧化古菌的生存方式变得更加扑朔迷离。根据上面的反应式，这些古菌的生存需要充足的氧气。但是，在海洋最缺氧的“最小含氧带”（200~1000米深），科学家却发现了大量氨氧化古菌。要知道，这里的氧气浓度可以低至不可测。那么，它们是如何做到在这里生存的？
在一项发表于《科学》的新研究中，来自南丹麦大学的科学家揭示了一个惊人的发现：一种氨氧化古菌可以在黑暗、缺氧的环境中自行合成氧气，用于氨氧化反应。这个发现有望揭开这类微生物在缺氧海水中的生存之谜，并改变我们对于氮循环的认识。
在这项研究中，为了重现氨氧化古菌在海洋最小含氧带中的生存状态，研究团队收集了一种被称作SCM1的氨氧化古菌。他们在模拟缺氧海水的溶液中培养这些古菌，并且借助精密的仪器监测溶液中氧气浓度的变化——仪器的测量精度可以达到每升1纳摩尔，因此氧气浓度的轻微波动都能被研究者捕捉。
“我们想要观察，当氧气耗尽时会发生什么，正如它们从富含氧气的海水移动至缺氧海水中那样。它们还能存活吗？”领导这项研究的Beate Kraft教授表示。
在培养液中，随着氨氧化反应的进行，氧气逐渐减少。当氧气耗尽，神奇的一幕发生了：短短几分钟后，氧气浓度再次升高，最终达到每升100~200纳摩尔的浓度。难道，是这些古菌制造了氧气？
此后，超过两年的持续实验说明，氧气的增加不是偶然。而在排除了可能的污染源、排除了过氧化氢分解等可能的反应过程后，研究团队可以判定，是氨氧化古菌在利用氧气的同时，又产生了氧气。这些氧气不足以改变地球的氧气浓度，但却可以让它们在黑暗缺氧的环境中生存下去。
“如果它们产生的氧气超过了自身所需，多余的氧气会迅速被附近的生物利用，因此这部分氧气从不会离开海洋。” Kraft教授解释道。
那么，这些古菌是通过什么途径生产氧气的？
说起地球上的氧气制造者，我们会想到能进行光合作用的植物、藻类和蓝细菌。此前的研究发现了少量可以在黑暗中产生氧气的微生物，但它们的种类和地理范围都非常有限。
相比之下，作为海洋微生物世界的重要成分，氨氧化古菌产氧的方式不同于以往的所有生物。目前研究团队还没有证实它们产生氧气的具体机制，但已经基于研究推测出了可能的机制：作为氨氧化过程的最终产物，同时也是产氧反应的起点，亚硝酸盐被还原酶还原成一氧化氮。随后，一氧化氮发生歧化反应，分别形成氧气和一氧化二氮，而后者会进一步被还原为氮气。
至此，这一结果为氨氧化古菌在缺氧海水中的生存提供了可能的解释，并且揭示了它们可能对于海洋中氮元素的流失起到重要作用。这项研究还可能为地球氮循环的演化提供线索。
“如果这种生存方式在海洋中广泛存在，它将使我们重新思考海洋氮元素循环。” Kraft教授表示。接下来，研究团队计划在世界各地的海洋中，验证他们在实验室中的发现。或许，这些看不见的微小生物，真的能撼动地球极为重要的元素循环。
参考资料：
[1] Beate Kraft et al., Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon. Science (2022)www.science.org/doi/10.1126/science.abe6733
[2] Willm Martens-Habbena and Wei Qin, Archaeal nitrification without oxygen. Science (2022) www.science.org/doi/10.1126/science.abn0373
[3] Microbes produce oxygen in the dark. Retrieved Jan. 6, 2022 from https://www.eurekalert.org/news-releases/939090
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