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本文约2700字，阅读约7分钟
: O f( o: x# R$ `4 C, h6 K4 B 出品 | 海潮天下
& _( x) n+ }$ O: P0 Q6 | 在浩瀚无垠的东热带北太平洋（ETNP），一群身长约两米、通体黄色的自主航行观测器正在静默地上下浮动。这些被称为生物地球化学-Argo（BGC-Argo）的“机器鱼”，就像是科学家布设在深海的哨兵。 ; M2 u c6 V. ~ J: |3 l8 w
长期以来，人类对海洋中那些被称为“缺氧区”（Oxygen-deficient zones, ODZs）的特殊地带知之甚少，海潮天下（Marine Biodiversity）小编注意到，2026年4月6日最近发表在《自然通讯·地球与环境》上的一项研究，利用这些浮标近三年的高精度观测数据，彻底刷新了科学界对海洋内部化学过程的认知。
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; M6 i0 N4 S$ ?8 i" X) b' N ▲上图：由玛里亚纳·比夫（Mariana Bif，右一）博士带领的科学团队正准备从“汤玛斯·G·汤普森号”科考船（R/V Thomas G. Thompson）上布放一个生物地球化学Argo（BGC-Argo）浮标。图源：Mariana Bif博士, 迈阿密大学官网
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深海化学屏障，触不可及 9 G* r! y: a8 N( x
海洋缺氧区是全球海洋中的“热点”，虽然氧气含量极低，却是微生物活动异常活跃的场所。在这里，微生物不再依赖氧气呼吸，而是转而利用硝酸盐和亚硝酸盐。这 - S+ X* N, D( L( P" ^" h
一过程决定了海洋的生产力，也直接影响全球碳循环、大气温室气体的平衡。特别是氧化亚氮（N₂O），这种温室气体的全球变暖潜能是二氧化碳的270倍，而缺氧区正是它的重要产生地。
) X) M2 y% [1 d) M: O) u, K 过去，想要了解这里的化学秘密，科学家必须搭乘大型科考船，放下采样瓶进行实地取样。这种“快照式”的采样方式虽然精准，却有着致命的缺陷：它无法捕捉到随时间变化的动态过程。深海的化学反应往往在几周甚至几天内就会发生剧烈波动，而科考船往往一年只能去一次。
8 M2 z1 p6 I2 o7 e BGC-Argo浮标的出现，改变了游戏规则。它们每十天进行一次垂直剖面观测，从海面一直下潜到两千米的深处，全天候的记录氧气、pH值、硝酸盐等关键参数。 - ?+ X1 _+ x. V. w1 J
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▲上图：Argo剖面浮标结构示意图。该设备主要由顶部的天线与传感器阵列（包括温度、盐度、压力及各类生物地球化学传感器）、中间的耐压壳体（内含电池组、电子控制单元及数据处理系统）以及底部的外部油囊组成。浮标通过内部液压泵将油压入或抽出外部油囊来改变自身排开水的体积，从而实现受控的下潜与上浮，如同在深海中自由呼吸的“机器鱼”。（参考设计：UCSD Argo项目）图源：Brn-Bld
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▲上图：截至2018年2月，全球Argo阵列中活跃浮标的分布情况。图中不同颜色的圆点代表所属的国家或地区，展示了这一全球海洋观测网在各大洋的覆盖广度。这些自主监测浮标通过国际协作，持续为气候研究和海洋科学提供关键的实时数据。图源：Hjfreeland / m6 t' \, ]# H; b* g* H( B+ u
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算法革新
' N, s. w+ ?; e, Y: B9 q 让传感器“看见”隐形成分 % F% w/ y) B$ I5 {3 @
这项研究的核心突破，源于迈阿密大学罗森斯蒂尔学院玛里亚纳·比夫（Mariana Bif）教授团队开发的一种先进算法。 @6 B6 g5 R4 n7 V* I7 ^! g
传统上，浮标上的紫外光谱传感器只能用来测量硝酸盐。但问题是，氮循环中的关键中间产物——亚硝酸盐（Nitrite）和硫代硫酸盐（Thiosulfate），其信号极其微弱，长期隐匿在复杂的背景噪声中。
7 _. ]' w2 z. d1 M 比夫教授的团队对紫外光谱数据做了深度挖掘，成功的开发出了一种无试剂的统计提取方法。这就好比从一段嘈杂的背景音中，精准地分离出了两个极其细微的特定音节。他们用这种方法，可以从现有的全球浮标数据库中，重新解析出过去被忽视的亚硝酸盐浓度数据。
8 B! X5 U* @& |8 @8 i8 M 据悉，这一技术革新不仅适用于地球的海洋监测，未来甚至可能用于外星海洋（如木卫二或土卫二）的生命痕迹探测，因为这种传感器不需要消耗任何化学试剂，非常适合长期无人监测。
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g% q5 a! r1 J' u! I; i) G4 @ ▲上图：本研究所用BGC-Argo浮标的轨迹与上层海洋生物量变化示意图。(a) 浮标在东热带北太平洋（ETNP）的漂流轨迹（红点）以及部署该浮标的SR2114航次路线（空心黑圈）。(b) 水表层至150米深度的叶绿素-a（Chl）总量时间序列，数据每10天采集一次，不同颜色代表不同季节，黑色实线为移动平均线，红色阴影区域标示了2022年7月30日至10月11日期间持续的高生产力阶段。(c) 为相同时间段内的颗粒有机碳（POC）总量变化趋势。对比可以发现，上层海洋生态系统的周期性波动与深层氮循环的动态变化存在紧密联系。论文出处：Bif, M. B., Kelly, C., Altabet, M. A., et al. (2026)
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氮循环的动态战场 , c) g. ?) {6 Z
研究团队对ETNP海域做了近三年的连续监测，捕捉到了一个令人惊讶的现象——缺氧区的化学环境并非处于某种静态的平衡；它是一场永不停歇的动态博弈。 2 n# z* r- X. `
在观测的前两年，该海域存在一个强烈的“次级亚硝酸盐极大值”。这意味着此时海水中积聚了大量的亚硝酸盐，说明微生物正在将硝酸盐还原。 6 c; I% b; \& K" m4 L
但，进入2023年后，情况发生了剧变。监测数据显示，亚硝酸盐浓度大幅下降，甚至一度跌破了探测极限。与此同时，海水的pH值也随之降低。 ! c! @3 z1 r( i6 B* I
为了理解这背后的机制，研究者引入了一个基于化学计量学的质量平衡模型。 7 F6 c+ _; K# e$ k
模型分析显示，在这个区域，异养硝酸盐还原（DNRN）是占据统治地位的过程，它消耗质子并产生二氧化碳。但随着环境条件的改变，尤其是当有机物供应充足时，反硝化作用（Denitrification）和厌氧氨氧化（Anammox）的活跃度会迅速提升。这些过程会将亚硝酸盐进一步转化并最终以氮气的形式释放到大气中，造成海洋中氮元素的“净流失”。
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5 I c7 q* p8 F6 D2 t8 f （图文无关）▲上图：氮是海洋中最核心的营养元素之一。氮素的盈亏直接决定了浮游植物的生长，而浮游植物作为海洋食物链的基石，其多寡直接影响到从微小浮游动物到大型鱼类的生存空间和种群规模。©摄影：王敏幹（John MK Wong）| 海潮天下（Marine Biodiversity）
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0 O& [0 v& F/ t0 ` 厄尔尼诺与深海的联动
" p3 N$ \' g) H- [1 H/ q 在这个研究期间，东热带北太平洋经历了从拉尼娜到厄尔尼诺的气候周期转换。虽说三年的观测记录尚不足以定论长期趋势，但浮标捕捉到了生产力波动的细节。2023年期间，尽管表面上看是由于气候现象导致的生态变化，但深海中的碳、氮循环已经做出了敏锐的反应。
& E" v; }7 @3 z8 E5 ~! K Y e 该研究发现，中尺度涡旋（Mesoscale eddies）在其中扮演了重要角色。这些巨大的海洋旋涡像“搅拌机”一样，改变了表层的营养盐分布，还能通过改变等密度面的起伏，直接影响深层的碳酸钙饱和度。这种物理运动与生物地球化学过程的耦合，在传统的离散采样中几乎是不可能被完整观测到的。 " ^) m+ H# A: g5 U
这项研究的意义，远不止于对某个海域氮循环的量化，它证明了通过集成自主观测设备与先进的计算模型，人类可以实时监控海洋内部那些“看不见”的化学脉动。随着全球气候变暖，海洋缺氧区正在不断扩张，理解这些区域的氮损失过程，对于预测未来的海洋健康状况至关重要。 + X- @& H8 ]6 r' J# |
该团队指出，在深海中默默工作的这些“隐形化学家”，让人类可以正在构建一个更加透明、更加真实的海洋认知体系。未来，类似的分析方法将被推广到南太平洋、阿拉伯海、以及本格拉上升流区等其他全球重要海域。 , d7 K1 {: z ^. U- f6 V" E6 t
本文参考资料
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% F% {" T2 z S& F4 H/ o https://biogeochemical-argo.org/ $ [5 i9 N: d" X* P. ]
https://www.aoml.noaa.gov/biogeochemical-argo-program/
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信息源 | Bif, M. B., Kelly, C., Altabet, M. A., et al. (2026)
" A% [: ]; K, V2 _' m' q; Q4 n 文 | 王海诗 ! ]+ P8 G: j5 L$ B2 W# T. m
排版 | 卢晓雨 T4 E" g6 e8 J. G; d' d9 t
时间 | 2026年4月 / s0 `- L" m2 P; u& t
欢迎投稿 | editor@oceanbiodiversity.cn
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