揭示北太平洋环流上层中深层颗粒关联非蓝藻固氮菌对N2固定的贡献

本研究通过单细胞质谱和nifH基因测序技术，首次量化了北太平洋亚热带环流150米深度悬浮、慢速和快速沉降颗粒上非蓝藻固氮菌(NCDs)的固氮活性，发现Gamma变形菌纲在慢速沉降颗粒中固氮速率高达67.46±48.54 fmol N cell-1 d-1，而快速沉降颗粒中假定的NCDs固氮速率达121.44±22.02 fmol N cell-1 d-1，挑战了蓝藻主导海洋固氮的传统认知，为深海氮循环机制提供新见解。

　　

海洋中氮元素的生物可利用性直接影响着初级生产力，而将惰性氮气(N₂)转化为生物可利用氮的固氮作用长期以来被认为主要由蓝藻在透光层完成。然而近年研究发现，非蓝藻固氮菌(NCDs)在从上升流区到深海等各类海洋环境中广泛存在，但其生态贡献始终难以量化。尤其令人困惑的是，这些异养微生物如何在高耗能的固氮过程中应对氧气对固氮酶的不可逆损伤？一个突破性假说认为，海洋颗粒可能为NCDs提供了低氧微环境，同时富含碳源和能量物质，但这一假说缺乏直接证据支持。

法国艾克斯-马赛大学（Aix-Marseille Université）Mar Benavides团队联合斯坦福大学等机构，在《Communications Biology》发表的研究首次系统揭示了颗粒类型对NCDs固氮活性的调控规律。研究人员通过海洋雪收集器(MSC)在北大平洋亚热带环流150米深度分离悬浮(SUSP)、慢速沉降(SS)和快速沉降(FS)三类颗粒，结合催化报告沉积荧光原位杂交(CARD-FISH)和纳米级二次离子质谱(nanoSIMS)技术，实现了单细胞水平固氮速率的精确测定；同时采用嵌套式nifH基因PCR扩增和Illumina测序解析了颗粒附着固氮菌群落结构。

关键技术方法

1. 海洋雪收集器(MSC)分馏：在12个站点150米深度采集并分馏三类颗粒（悬浮、慢速沉降1-10 m d^-1、快速沉降>10 m d^-1）

2. ¹⁵N₂同位素示踪：24小时暗培养后通过膜进样质谱(MIMS)测定同位素富集

3. 单细胞分析：CARD-FISH靶向Gammaproteobacteria，nanoSIMS测定¹²C¹⁵N^-/¹²C¹⁴N^-比值计算固氮速率

4. 分子生态学：嵌套式nifH基因扩增测序，DADA2流程处理获得628个扩增子序列变异(ASVs)

主要研究结果

颗粒类型塑造固氮菌群落

nifH基因测序显示，悬浮和慢速沉降颗粒中蓝藻(特别是UCYN-A)占比达25-90%，而快速沉降颗粒中NCDs相对丰度升至75%。垂直连通性分析揭示40%的ASVs为快速沉降颗粒特有，表明下沉过程显著改变固氮菌群落结构。

Gammaproteobacteria主导NCDs固氮

Marinobacter在检测到活性的站点(S06/S09/S20)占NCDs总量的50%以上。单细胞质谱显示其固氮速率在悬浮颗粒最高(58.14±63.07 fmol N cell^-1 d^-1)，而慢速沉降颗粒中Oceanobacter等菌株活性达67.46±48.54 fmol N cell^-1 d^-1，与表层蓝藻固氮速率相当。

快速沉降颗粒隐藏高活性NCDs

虽未检测到Gammaproteobacteria活性，但快速沉降颗粒中假定NCDs（非Gamma变形菌）展现出最高固氮速率(121.44±22.02 fmol N cell^-1 d^-1)，暗示这类未被探明的微生物可能在深海氮输入中扮演关键角色。

讨论与意义

该研究首次证实中深层海洋颗粒是异养固氮的热点区域，其固氮速率与透光层经典固氮蓝藻相当。特别值得注意的是，快速沉降颗粒特有的高多样性NCDs群落可能通过固氮产物（如铵盐）影响颗粒有机质的降解效率，进而调控生物碳泵的强度。研究还发现Marinobacter等菌株携带趋化和鞭毛组装基因，支持其主动定殖颗粒的生态策略。这些发现不仅拓展了对海洋氮循环空间格局的认知，也为全球生物地球化学模型中氮输入通量的准确估算提供了新参数。未来需要结合激光原位散射仪(LISST)等技术，全面量化不同粒径颗粒对深海固氮的贡献。