Microbially driven biogeochemical cycling of biogenic elements: processes, coupling mechanisms, and ecological implications

微生物作为地球生物地球化学循环的核心驱动者，通过其巨大的代谢多样性调控着碳（C）、氮（N）、磷（P）、硫（S）等生源要素的全球通量与形态转化, 对全球气候变化与生态系统功能具有深远影响。本综述系统梳理了微生物驱动生源要素循环的关键过程、耦合机制及其对全球变化的响应。碳循环中微生物主导的有机质分解、产甲烷与甲烷氧化作用动态调节温室气体排放，而光合与化能自养作用则是关键的固碳途径，尤其是海洋微生物碳泵（MCP）在长期碳封存中扮演重要角色。氮循环通过固氮、硝化、反硝化及厌氧氨氧化多条途径调控氮素生物可利用性与氧化亚氮排放。磷循环依赖解磷菌和聚磷菌驱动磷的活化与转移，直接影响初级生产力。硫循环则由硫酸盐还原菌与硫氧化菌等介导的复杂氧化还原过程，关联金属循环与环境酸化/碱化。尤为重要的是，微生物通过跨元素耦合代谢（如硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化N-DAMO、铁-硫耦合呼吸等）构成了复杂的生物地球化学网络。全球变化通过重塑微生物群落结构与活性，显著改变元素循环格局。而微生物虽通过代谢可塑性与功能冗余维持系统韧性，但也面临临界点风险。未来需整合多组学、跨尺度建模与合成生物学手段，推动微生物技术在碳中和、污染修复与可持续农业中的应用，为实现联合国可持续发展目标提供科学支撑。