水生氧化还原梯度下异养固氮驱动因素的生物能量与化学计量约束模型解析

《Ecological Modelling》：Unpacking drivers of heterotrophic N 2 fixation across aquatic redox gradients: A mathematical model with bioenergetic and stoichiometric constraints

本文推荐一项关于水生异养固氮驱动机制的研究。针对目前对异养固氮菌在多变氧化还原环境中活动规律认识不足的问题，研究人员构建了一个结合生物能量与化学计量约束的广义恒化器模型。通过模拟不同氧化状态、资源数量/质量及化学计量条件下的异养固氮菌生长，发现能量获取效率和呼吸效率是控制N2固定的两个主要因素。该模型成功预测了在氮限制和氮充足条件下均存在N2固定现象，且其在富营养化条件下对高碳氮比资源响应显著。研究为理解水生环境中异养固氮的生态驱动提供了新视角，对氮循环建模具有重要价值。

　　

氮是生命不可或缺的营养元素，而大气中的氮气（N₂）却是大多数生物无法直接利用的惰性气体。将N₂转化为生物可利用氮的过程——固氮作用，主要由一类被称为固氮菌（diazotrophs）的原核生物完成。其中，消耗有机物获取能量和碳源的异养固氮菌（organoheterotrophic diazotrophs）在陆地和水生生态系统的氮循环中扮演着重要角色。特别是在内陆和沿海水域（如河流、湿地、河口和大陆架环境），这些环境存在着显著的氧化还原状态、营养盐可用性以及有机物丰度/质量的梯度，深刻影响着微生物的栖息地和生物地球化学活动。

传统观点认为，环境中存在高浓度的固定氮（如铵盐NH₄⁺、硝酸盐NO₃^-）会抑制固氮作用，因为同化这些现成的氮源比固定N₂所需的能量成本更低。然而，越来越多的野外观测和模型研究暗示，异养固氮作用在存在固定氮的条件下仍然可以发生，尤其是在氧气（O₂）浓度低至零且有机物丰富的环境中。例如，在海洋中，推测为非蓝藻的异养固氮菌分布广泛，近期模型研究甚至表明异养固氮贡献了全球约10%的海洋N₂固定量。尽管如此，对于在历史上采样不足但具有重要生态影响的内陆和沿海水域中，异养固氮的贡献及其环境驱动因素仍然知之甚少。

理解异养固氮的驱动机制面临挑战，部分原因是可用于参数化模型的异养固氮菌生理数据非常稀少。此外，固氮作用同时受到生物能量学（获取和利用能量的效率）和化学计量学（环境中元素比例）的双重约束。吉布斯能量耗散模型（GEDMs）基于热力学理论，通过计算碳底物分解（分解代谢）产生的自由能以及用于生物量构建和维持反应（合成代谢）所消耗的自由能，来推导微生物的最大生长产量（即生长效率）。该模型已成功应用于研究多种低能量代谢的生长动力学。然而，GEDM方法的局限性在于它未能考虑生长底物的相对可用性以及底物吸收的动力学约束。相反，化学计量模型使用质量平衡方法来评估元素失衡如何影响不同组织层次上的生物过程，但传统上不施加生物能量约束。

为了克服上述局限，由Corday R. Selden等人组成的研究团队在《Ecological Modelling》上发表论文，提出了一个结合GEDM框架与可变化学计量学的广义恒化器模型，用以研究异养固氮作用 across 水生氧化还原梯度。该模型旨在揭示异养固氮菌在不同化学环境下的生物能量和化学计量限制，特别是解析能量获取和化学计量需求如何共同调控其在氮限制和氮充足条件下的固氮策略。

为开展研究，作者主要应用了几个关键技术方法：1）构建了一个广义恒化器模型，该模型耦合了营养盐吸收和分配函数以预测元素通量，并结合能量耗散模型计算生长效率；2）采用基于热力学“第一性原理”的吉布斯自由能计算框架，来推导理论生长产量，并进一步计算考虑细胞维持代谢和氮酶保护等额外呼吸成本的实际产量；3）利用米氏方程（Michaelis-Menten equations）描述底物吸收动力学，并采用Droop方程将底物吸收约束为细胞内营养库（特别是生物量的氮碳摩尔比，Q_Nb:Cb）的函数；4）由于缺乏足够的异养固氮菌生理数据，模型参数主要通过对模式生物棕色固氮菌（Azotobacter vinelandii）以及更广泛的水生异养菌文献数据的系统整理和筛选来确定，并对关键参数进行了拉丁超立方抽样和偏秩相关系数技术的全局敏感性分析；5）模型在五种代表性的水生环境情景下进行测试，这些情景涵盖了从富氧到缺氧、从贫营养到富营养的氧化还原和营养盐梯度。

2.2. 从第一性原理计算细菌生长产量

研究人员首先从热力学第一性原理计算了理论生长产量（Y_theor）。理论产量代表了细菌生长效率的理论上限，其计算考虑了分解代谢产生的能量（ΔG_cat）、合成代谢消耗的能量（ΔG_ana）以及耗散过程损失的能量（ΔG_dis）。计算结果表明，不同氮源（NH₄⁺、NO₃^-、N₂）对生长产量的直接影响，相较于不同碳源（如乙酸 vs 葡萄糖）或不同终端电子受体（TEA，如O₂、NO₃^-、SO₄^2-）带来的差异要小。例如，在标准好氧条件下，以N₂为氮源的理论产量仅比以NH₄⁺为氮源低不到10%，但以乙酸为碳源的理论产量比以葡萄糖为碳源低32.6%，而硫酸盐还原的理论产量比有氧呼吸低65%。这突显了碳源能量产出和呼吸途径对微生物能量预算的关键影响。

2.3. 实际生长和碳吸收方程

实际产量（Y_real）在理论产量的基础上，进一步考虑了细胞维持过程（基础代谢）以及在高氧条件下保护氮酶免受氧化损伤所产生的额外呼吸负担等间接成本。模型通过碳吸收速率函数将底物可用性、生物量氮碳比（Q_Nb:Cb）与种群生长速率联系起来。碳吸收速率是终端电子受体可用性、环境中碳底物可用性以及种群碳需求（其本身取决于Q_Nb:Cb）的函数。模型采用恒化器设置，考虑了细胞死亡（δ）和稀释（D）对生物量和底物浓度动态的影响。

2.4. 呼吸方程

模型考虑了异养菌利用O₂（有氧呼吸）、NO₃^-（反硝化）和SO₄^2-（硫酸盐还原）作为终端电子受体的三种呼吸途径。这些代谢的相对能量收益被整合到生长方程中。为了模拟自然界中观察到的顺序性TEA利用（O₂优先于NO₃^-，NO₃^-优先于SO₄^2-），模型使用基于O₂和NO₃^-浓度的抑制项来计算反硝化（r_NO3）和硫酸盐还原（r_SO4）的速率。这种方法代表了在存在更高能量收益的TEA时，微生物下调低能量收益呼吸途径的生理适应。

2.5. 氮利用方程

模型追踪了不同氮源（NH₄⁺、NO₃^-、N₂）进入生物量的流动。氮吸收速率（u）是相互依赖的，遵循优先同化顺序：NH₄⁺优先于NO₃^-，NO₃^-优先于N₂。每种氮源的吸收速率采用米氏动力学公式描述，并受细胞内氮状态（通过Q_Nb:Cb反映）的调节。例如，N₂的吸收速率在细胞内NH₄⁺和NO₃^-衍生的氮库相对充足时受到抑制。

3.1. 理论产量

理论产量计算确认，与碳源形式或终端电子受体相比，氮源形式对生长产量的直接影响相对较小，强调了碳底物能量产出在决定微生物能量效率方面的首要重要性。

3.2. 情景1-2（好氧）及O₂的影响

在模拟富氧水体的情景1（低固定氮）和情景2（高固定氮）下，模型运行结果与有限的观测数据一致，显示能量获取和呼吸效率是N₂固定的两个主要控制因素。模型预测在氮限制（情景1）和氮充足（情景2）条件下均存在N₂固定。在氮充足条件下，N₂固定随着资源碳氮比（C:N）的增加而增加，并且在富营养化条件下，拥有富含能量的碳源（葡萄糖）时，对 exogenous N 最不敏感。尽管在氮充足条件下，N₂固定对群落氮需求的贡献相对较小（<4%），但由于整体异养生产力较高，这些条件下的绝对固氮速率与野外观测值相当。研究还发现，保护氮酶免受氧抑制的间接成本在O₂浓度高时显著，但在低氧（<20 μM）条件下急剧下降，这使得固氮在低氧环境中能量上更可行。

3.3. 情景3-4（厌氧）及碳底物丰富度的影响

在模拟低氧水体（情景3、4）时，模型成功再现了从有氧呼吸到反硝化，再到硫酸盐还原的顺序性TEA利用过程。在固定氮匮乏的亚氧条件下（情景4），微生物对N₂固定的依赖增加。碳底物的能量产出（葡萄糖 vs 乙酸）显著影响了固氮的规模和效率。在葡萄糖条件下，即使存在一定量的固定氮，亚氧环境（情景4）也能支持与好氧氮限制条件（情景1）同等量级的绝对N₂固定速率，表明在富含易降解有机碳的低氧环境中，异养固氮可能非常重要。

3.4. 情景5（富营养化，厌氧）及外源氮的影响

在模拟富营养化还原性沉积物的情景5（高有机碳、高铵盐）下，模型预测了显著的绝对N₂固定速率，尽管其对生物量氮的相对贡献很小（~1-2%）。这是因为在高碳条件下，即使存在高浓度NH₄⁺，巨大的生物量总量导致了可观的绝对固氮量。这一结果与在富含有机物的沉积物中观测到可观固氮速率的野外研究一致。模型进一步表明，N₂固定的相对重要性随着环境中有机碳与固定氮的化学计量比（C_e/N_e）的增加而增加。

3.6. 敏感性分析

通过全局敏感性分析，研究人员确定了影响模型输出的最关键生理参数。理论生长产量（Y_theor）是控制实际产量、生物量和N₂固定比例的最敏感参数。与能量获取和呼吸效率相关的参数（如碳底物吸收的半饱和常数K_m、用于维持代谢和氮酶保护的最大O₂吸收速率ρ_mO2）也 consistently 表现出高敏感性。相比之下，与营养吸收调控相关的参数（如最小生物量氮碳比Q_min）敏感性较低。这强调了能量约束在调控异养固氮中的首要地位。

该研究的结论和讨论部分强调了其重要意义。首先，模型结果挑战了“固氮作用仅在严格氮限制条件下发生”的简单观点，为在氮充足环境中观测到的固氮活动提供了机理解释：当环境中碳相对于氮非常丰富（高C:N比）时，即使存在固定氮，微生物也可能有足够的能量来支持固氮作用。其次，研究量化了氧浓度通过“呼吸保护”成本对固氮能量预算的关键影响，确定了存在一个低氧“最佳区”（Goldilock’s zone），使得固氮在能量上可行。第三，模型揭示了碳底物的能量产出（lability）是决定固氮速率和效率的关键因素，富含能量的碳源（如葡萄糖）能支持更高水平的固氮，即使在不利的氧化还原条件下。

该模型成功地将生物能量和化学计量约束整合到一个统一的框架中，为理解水生系统氧化还原梯度下异养固氮的动态提供了强大的工具。研究表明，异养固氮的发生是由底物化学计量（特别是C:N比）和能量预算（由碳源质量和终端电子受体的能量产出决定）之间复杂的相互作用控制的。这些发现对预测不同水生生态系统（从寡营养海洋到富营养化河口和沉积物）的氮循环和初级生产力具有深远意义。未来的研究可以在此基础上，纳入磷、铁等其它潜在限制因子，并考虑异养固氮菌生理多样性的影响，以进一步提高模型的普适性和预测能力。