学科前沿 | 微生物是气候变化的罪魁祸首还是救星？探索微生物在地球水文气象全球循环中的关键角色！

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| 文章导读

微生物是地球上最古老的生命形式，它们存在于各种各样的环境中，从极地冰川到热带雨林，从深海黑烟囱到高空云层。微生物不仅是地球的生命基础，也是地球水文气象全球循环的重要参与者，它们可以产生和吸收温室气体，可以影响生物多样性和食物链，从而对气候变化产生深远影响。

然而由于历史和文化的原因，微生物未能在目前的气候科学研究、气候政策制定中获得足够重视，也未被纳入气候模型的解决方案中，当然这也和微生物自身的复杂性和多样性以及测量和监测困难相关。为了改变这种状况，微生物学家正努力地向政府和公众，传播微生物在气候变化中的重要性，希望能够在气候政策上获得一些话语权。

图1、海洋微生物    来源：Nature

本文将探索微生物在地球水文气象的全球循环中扮演的关键角色：

| 微生物如何影响温室气体的排放和吸收？

温室气体能够吸收和发射红外辐射，导致地球表面和大气温度升高，造成全球变暖。温室气体主要包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）等。

CO2是最主要的温室气体，它的浓度在过去150年中增加了约40%。CO2主要来源是化石燃料燃烧。微生物可以通过光合或化能合成作用吸收CO2，从而降低大气CO2浓度。据估计，海洋微生物每年吸收约50亿吨CO2，相当于人类每年排放CO2的10%。

CH4是第二大温室气体，CH4主要来源是农业活动，比如牲畜养殖和农作物种植。产甲烷菌也可释放CH4，它们一般分布在湿地、沼泽和垃圾场等。微生物也可以通过CH4氧化菌吸收甲烷，它们主要分布在土壤、海洋和淡水等。据估计，微生物每年可以释放约3.3亿吨CH4，相当于人类每年排放的20%，消耗约1.1亿吨CH4，相当于人类每年排放的7%。

N2O是第三大温室气体，N2O主要来源是化肥使用，也有一部分N2O是由微生物反硝化作用释放的。反硝化作用是由一些厌氧菌完成的，它们主要分布在土壤、沉积物和水体等。当然，微生物也可以通过硝化作用吸收N2O，它是由一些好氧菌完成的。据估计，微生物每年可以释放约1.8亿吨N2O，相当于人类每年排放的60%，也可以消耗约0.6亿吨N2O，相当于人类每年排放的20%。

图1、古细菌在牛内脏中产生甲烷    来源：Nature

| 微生物如何影响生物多样性和食物链？

生物多样性是地球生命的基础，也是地球生态稳定和可持续性的保障。微生物是地球上最多样的群体，全球微生物的种类数可能超过1000万种，占地球生物的种类数的90%以上，它们可以适应各种极端的环境，也可以与其他生物形成复杂的相互作用，从而影响生物多样性。例如，微生物可以通过固氮作用为植物提供氮素，促进植物生长和繁殖；微生物也可以通过分解有机物质为其他生物提供养分，从而维持物质循环；微生物还可与其他生物形成共生或寄生关系，影响生物的适应性。

食物链是指生物之间通过捕食和被捕食的关系形成的能量和物质的传递路径，它是地球生态系统的基本结构，也是地球生命的基本支撑。微生物每年可以产生约1700亿吨有机碳，相当于地球上所有植物的总和；微生物也可以消耗约1600亿吨的有机碳，相当于地球上所有动物的总和。微生物通过光合或化能合成将无机物转化为有机物，为其他生物提供能量和物质来源；微生物通过分解作用将有机物转化为无机物，为其他生物提供养分循环。土壤有机碳页是地球最大的有机碳储存库，对全球碳循环和气候变化有重要影响。

图3、全球微生物碳利用效率空间分布    来源：Nature

| 微生物是气候变化的罪魁祸首还是救星？如何影响水文循环？

从上面分析可以看出，微生物既可加剧，也可缓解气候变化，在地球水文气象的全球循环中扮演着关键角色。微生物的具体影响取决于很多因素，比如微生物种类、数量、分布、活性和相互作用等，以及环境温度、湿度、光照、氧气和营养等。可以肯定的是，微生物是气候变化的重要参与者和影响者。未来需要更多研究来揭示其影响机制和功能，为气候政策制定提供更全面的信息。

对于水文循环来说，海洋模型至关重要，海洋是地球上最大的水体，占地球表面积的71%，也是地球最大的热量储存库，占总热量的90%以上。然而，海洋模型建立需要考虑物理（波浪、洋流和与大气的相互作用）、生物（生物对环境和彼此的反应）和化学（不同形式的必需元素及其对氧气或pH的敏感性）等多种因素。模型须涵盖不同的时空尺度，还必须能够模拟极端状态，如海洋热浪模拟。海洋微生物学、生理学和生物地球化学的建模者们正在努力改进，以更好地反映海洋微生物多样性和功能复杂性，以提高模型精度和预测能力。

| 总结

我们探索了微生物在地球水文气象的全球循环中扮演的关键角色，可以发现微生物在温室气体排放和吸收、生物多样性和食物链中起着重要的作用，既可加剧也可缓解气候变化，进而影响水文循环。但是具体影响取决于很多因素，没有一个简单的答案。未来我们需要更多的研究和监测，深入了解微生物的特性和功能，进而制定更有效的气候策略。

参考文献

1、Microbial carbon use efficiency promotes global soil carbon storage.https://www.nature.com/articles/s41586-023-06042-3

2、'Oceans are hugely complex': modelling marine microbes is key to climate forecasts.https://www.nature.com/articles/d41586-023-03425-4

3、Microbiologists at COP28 push for a seat at the climate-policy table. https://www.nature.com/articles/d41586-023-03765-1

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更新日期：2023-12-03