海院科研动态（181）|隐藏的“温室效应推手”：海洋浮游氨氧化古菌源N2O的产生机制及气候效应
研究背景
近日，海洋生态学研究团队在氨氧化古菌（ammonia-oxidizing archaea，AOA）源N2O产生机制及气候效应研究方面，取得了新进展。氧化亚氮（N2O）是一种强效且长寿命的温室气体，海洋是其重要的自然来源。AOA在海洋氨氧化过程中发挥重要作用，也是海洋N2O生成的重要生物来源，但其具体产生途径及环境调控机制仍缺乏系统认识。研究团队系统梳理了海洋AOA介导N2O产生的潜在代谢途径及其对海洋环境变化的响应，并讨论了未来气候变化情景下AOA源N2O研究的关键方向。
N2O的大气寿命约为116年，全球增温潜势约为CO2的270倍。海洋是大气N2O的重要自然来源，而海洋N2O的形成与微生物介导的氮循环过程密切相关。已有研究表明，全球海洋中超过80%的N2O源于氨氧化过程，而这一过程在许多海洋环境中主要由AOA驱动。因此，解析AOA如何产生N2O及其对环境变化的响应，是认识海洋N2O排放及其气候效应的重要基础。该论文从海洋N2O的分布及主要生物地球化学来源出发，系统归纳了硝化、反硝化及其耦合过程等海洋N2O的主要产生路径（图1），并重点梳理了AOA产生N2O的潜在代谢途径和关键中间产物，同时综合分析了溶解氧、温度、底物供给、盐度、光照、有机碳和pH等环境因子的调控作用。
图1海洋N2O产生路径的概念模型
研究结果
与氨氧化细菌（AOB）相比，AOA产生N2O的具体机制仍不完全清楚。现有研究提出，羟胺（NH2OH）、硝酰（HNO）和一氧化氮（NO）等可能是AOA氨氧化及N2O形成过程中的关键中间体，同时还可能存在由不同含氮底物共同参与的杂合体形成过程。论文进一步对比总结了AOB较为明确的氨氧化途径与AOA目前提出的多种潜在代谢途径（图2）。近年来，同位素示踪和酶学研究为这些潜在途径提供了新的证据，但AOA中N2O形成所涉及的完整代谢路径和关键酶系仍有待进一步解析。
文章进一步指出，AOA源N2O对海洋环境变化具有复杂响应。低氧条件可能通过改变AOA细胞内电子传递和代谢流向，促进NO、NH2OH等中间产物积累，从而提高N2O生成潜力；升温还可能通过降低氧气溶解度、增强水体分层等过程，加剧与脱氧的耦合效应。与此同时，海洋酸化会改变NH3/NH4+平衡及AOA的底物可利用性，但硝化速率降低并不一定意味着N2O产生同步减少，已有研究甚至观察到部分酸化情景下N2O生成增加的现象。
图2氨氧化细菌（AOB）与氨氧化古菌（AOA）的氨氧化及潜在N2O生成代谢途径
未来海洋将同时面临升温、酸化、脱氧和活性氮输入增加等多重环境压力，而不同环境因子之间可能存在协同或拮抗效应。文章认为，单一因子实验难以完整预测AOA在未来海洋中的代谢响应及N2O产生变化，多因子耦合将是后续研究的重要方向。
研究意义
目前，海洋AOA纯培养菌株仍较有限，许多潜在N2O生成途径和关键酶尚缺乏直接验证，原位观测和高分辨率分布数据也相对不足。作者提出，未来应进一步结合双同位素示踪、原位孵育、宏基因组、宏转录组、蛋白质组及关键酶功能验证等技术，系统解析不同环境变化下AOA介导N2O产生的代谢机制，并提升海洋氮循环及气候模型对相关过程的表征能力。
研究表明，AOA是连接海洋氮循环与N2O生成的重要微生物类群。深入理解其N2O形成机制及对多重海洋环境变化的响应，将有助于更准确地认识未来海洋N2O排放变化及其潜在气候效应。
文章相关信息
相关成果发表于《中国科学：地球科学》中英文版2026年第8期。中山大学海洋科学学院为论文第一通讯作者单位，2024级博士研究生郭怡晖为第一作者，谢伟教授为通讯作者。我院马啸博士、澳门大学博士研究生林子雅、南方科技大学张传伦教授、海南大学高树基教授等参与了该项研究。本成果得到南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）项目（SML2024SP022）和国家自然科学基金项目（92051117、41776137）的支持。
中文版:
郭怡晖,林子雅,马啸,高树基,张传伦,谢伟.2026.隐藏的“温室效应推手”：海洋浮游氨氧化古菌源N2O的产生机制及气候效应.中国科学:地球科学,56(8):2879–2895
https://www.sciengine.com/SSTe/doi/10.1360/SSTe-2025-0336
英文版:
Guo Y,Lin Z,Ma X,Kao S J,Zhang C,Xie W.2026.A hidden driver of the greenhouse effect:Production mechanisms and climate implications of N₂O derived from marine planktonic ammonia-oxidizing archaea.Science China Earth Sciences,69(8):2839–2855,https://doi.org/10.1007/s11430-025-1940-9
https://www.sciengine.com/SCES/doi/10.1007/s11430-025-1940-9
相关链接：
《中国科学杂志社》主页视频推送：https://weixin.qq.com/sph/A7SKcjEwTY
《中国科学：地球科学》主页推送：
https://mp.weixin.qq.com/s/wq4auBn74If7bpBEprZFHQ
