颠覆认知！海洋非蓝细菌固氮菌：撑起北太平洋中上层氮固定的 “半边天”？

为探究颗粒相关 NCDs 的固氮潜力及差异，作者[第一作者单位] 研究人员开展北太平洋不同颗粒相关 NCDs 研究。结果发现 NCDs 在 FS 颗粒相对丰度高且固氮速率可观。这有助于理解海洋氮循环，推荐科研读者阅读。

　　

在广阔无垠的海洋里，有一个至关重要的过程 —— 氮气（）固定，它就像海洋生态系统的 “营养输送管”，把生物可利用的氮引入海洋，为海洋里的各种生物提供 “食物”，支撑着海洋的初级生产力。长久以来，科学家们都认为，海洋中的固定主要是由生活在海洋光合层（能接收到阳光的表层海水区域）的蓝细菌主导的。就好像蓝细菌是这片 “海洋工厂” 里唯一的 “工人”，负责生产海洋生物所需的 “氮营养”。

然而，近年来，一些新的发现打破了这个传统认知。研究人员发现，非蓝细菌固氮菌（NCDs）在海洋里其实广泛存在，而且分布在各种各样的海洋环境中，比如上升流区域、无氧区、深海以及温带沿海地区。这些地方就像是海洋里不同的 “小天地”，NCDs 在其中都有自己的 “身影”。这让科学家们开始思考，难道 NCDs 在固定过程中也扮演着重要角色？

更有意思的是，有研究猜测，海洋雪（海洋中由有机物和微生物等聚集形成的颗粒）或者其他有机颗粒，可能会为 NCDs 创造一个 “舒适的家”。这些颗粒就像一个个小小的 “庇护所”，不仅能提供低氧环境，还能给 NCDs 提供碳和能量资源。就好比给 NCDs 提供了一个有吃有住的 “小房子”，让它们可以安心 “工作”。但问题来了，虽然知道 NCDs 可能和这些颗粒有关系，可它们在颗粒上的固定潜力到底有多大？不同类型的颗粒对 NCDs 的固定又有什么影响呢？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科学家们，也促使他们开展进一步的研究。

为了揭开这些谜团，来自 作者[第一作者单位] 的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “Particle - associated non - cyanobacterial diazotrophs contribute significantly to nitrogen fixation in the North Pacific Subtropical Gyre” 的论文。通过研究，他们得出了一系列重要结论，这些结论就像一把把钥匙，为我们打开了海洋固定过程的新大门。他们发现，与快速下沉颗粒（FS）相比，NCDs 在快速下沉颗粒中的相对丰度更高，而且其中 γ - 变形菌（Gammaproteobacteria）是主要的 NCDs，尤其是海杆菌属（）。同时，他们还发现不同类型颗粒（悬浮颗粒 SUSP、慢速下沉颗粒 SS 和快速下沉颗粒 FS ）上的固氮菌群落差异很大，这意味着随着颗粒下沉，固氮菌群落会发生变化。而且，NCDs 的单细胞固定速率和之前在海洋表层测得的速率处于同一数量级，这表明颗粒相关的 NCDs 在海洋中上层的固定过程中发挥着重要作用。这些结论让我们对海洋中的固定过程有了全新的认识，也为进一步研究海洋生态系统的氮循环提供了重要线索。

研究人员在这项研究中用到了几种关键技术方法。他们首先利用海洋雪采集器，在北太平洋 150 米深度采集了悬浮、慢速下沉和快速下沉的颗粒样本。然后，通过标记实验，来追踪和测量颗粒上微生物的固定速率。接着，运用催化报告沉积荧光原位杂交（CARD - FISH）技术结合纳米二次离子质谱（nanoSIMS），来识别和分析特定微生物（如 γ - 变形菌）的固定活性。最后，对样本进行 DNA 提取、基因测序及生物信息学分析，以此来研究固氮菌的群落组成和多样性。

下面我们来详细看看研究结果。

环境条件

研究人员在北太平洋的考察之旅中，发现海洋里的环境条件就像一个多变的 “小世界”。在不同的纬度和深度，各种环境因素都有很大的差异。叶绿素 a（Chl a）浓度和温度的变化就很有趣，在高纬度地区（大于 32°N），Chl a 浓度相对较高，温度却比较低；而在低纬度地区（小于 32°N），情况则相反。而且，Chl a 浓度在不同深度的变化也不一样，在不同的站点，Chl a 峰值出现在不同的深度，有的在 60 - 70 米，有的在 100 米，还有的在 130 米。温度也随着深度下降，从海洋表层的 15 - 27°C，下降到 150 米处的 12 - 22°C 。在 150 米深度，不同站点的磷酸盐（）、硝酸盐和亚硝酸盐（$NO_3^ - + NO_2^ - Si(OH)_4$）浓度也各不相同，有的站点浓度高，有的站点浓度低。这些环境因素的变化，就像海洋里的 “小气候”，影响着海洋生物的生存和活动。

颗粒相关的固定速率

研究人员精心挑选了 5 个站点，对不同类型颗粒上的固定速率进行分析。他们发现，通过显微镜测量，悬浮颗粒、慢速下沉颗粒和快速下沉颗粒的大小范围各不相同。而且，除了用 CARD - FISH 检测到的 γ - 变形菌，还有一些未被该技术检测到但显示富集的细胞，研究人员把它们称为 “推定的 NCDs”。γ - 变形菌的单细胞固定速率在不同颗粒类型中有所不同，在悬浮颗粒中通常较高，但不同颗粒类型之间的差异并不显著。有趣的是，推定的 NCDs 的单细胞固定速率普遍比 γ - 变形菌高，而且在快速下沉颗粒中达到了最高值。这说明不同类型的颗粒，就像不同的 “工作平台”，对 NCDs 的固定效率有着不同的影响。

固氮菌群落组成

研究人员对不同颗粒类型的基因进行测序后发现，固氮菌群落的组成就像一个多样化的 “大家庭”。蓝细菌在悬浮颗粒和慢速下沉颗粒中通常占主导地位，但在快速下沉颗粒中，NCDs 的相对丰度明显增加。在 NCDs 这个 “小家庭” 里，γ - 变形菌又是主要成员，在不同站点的相对丰度有所变化。在进行单细胞固定观测的站点，海杆菌属在所有颗粒类型中都占主导地位。而且，不同的环境条件似乎也影响着 NCDs 的种类分布，比如在温度较低的站点，假单胞菌（）的相对丰度较高。这表明固氮菌群落的组成会随着颗粒类型和环境条件的变化而变化。

在讨论部分，研究人员发现，他们测量得到的 NCDs 单细胞固定速率，和一些著名的蓝细菌固氮菌的速率相当。这意味着 NCDs 在海洋中上层可能扮演着和蓝细菌同样重要的角色，尤其是在这个光线有限、初级生产者相对较少的区域，NCDs 可能为海洋提供了重要的氮输入。但是，要准确量化它们对海洋中固定的贡献，还需要知道不同大小颗粒的数量，以及被活跃 NCDs 定殖的颗粒比例。而且，不同类型颗粒对 NCDs 的影响也很有意思。悬浮颗粒含有较高的碳含量，这可能为 γ - 变形菌提供了足够的能量，所以它们在悬浮颗粒上的固定活性较高。此外，研究还发现不同颗粒类型上的 NCDs 群落组成差异很大，这和之前的一些研究结果相符，说明随着颗粒下沉，微生物群落会发生变化。

总的来说，这项研究意义重大。它不仅揭示了不同颗粒类型与 NCDs 之间的关系，还表明颗粒相关的 NCDs 在海洋中上层的固定过程中起着重要作用。这让我们对海洋生态系统的氮循环有了更深入的理解，也为后续研究海洋生态系统的变化和发展提供了重要的理论基础。未来，科学家们还需要进一步研究，以更准确地评估 NCDs 在海洋氮循环中的贡献，探索它们在不同海洋环境中的作用机制，为保护和管理海洋生态系统提供更多的科学依据。