劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和加州大学圣克鲁斯分校的科学家们在表层海洋中检测到了先前假设的一类固氮作用。

科学家利用碳在公海中检测新的氮源

氮缺乏限制了海洋浮游植物的生长，而海洋浮游植物是全球重要的碳汇和海洋食物网的基础。浮游植物可以利用的氮在开放海洋的阳光照射层中通常浓度很低，但表层海洋中新氮的两个主要来源是来自深层的硝酸盐和N的生物固氮2一些蓝细菌从大气中排出的气体。

在NatureCommunications上发表的新研究中，该团队发现另一类非光合作用的固氮剂与海洋颗粒有关，并在海洋的某些部分固定氮。

“三十多年来，科学家们已经知道这种替代类型的固氮生物广泛存在于表层海洋中，但我们缺乏直接证据证明它们实际上可以固氮直到现在，”主要作者和前LLNL研究生学者凯蒂哈丁说。Harding是加州大学圣克鲁斯分校JonathanZehr实验室的研究生，他花了几十年时间研究海洋固氮作用。

团队检测到固氮生物的其中一个海洋碎屑颗粒示例(红色箭头显示为15N富集的热点)。比例尺=5微米。图片来源：劳伦斯利弗莫尔国家实验室

LLNL科学家XavierMayali表示，找到这种活动具有挑战性。

“我们发现它是因为我们能够使用我们的nanoSIMS仪器定位海洋颗粒上的单个细胞，”Mayali说。“因此，不进行光合作用的固氮菌似乎并不是自由漂浮的，而是附着在最终沉入深海的海洋碎屑上。”

在这项新研究中，团队成员结合使用了碳(C)和氮(N)稀有稳定同位素标记，因此他们可以将同时含有N和C的生物体(如光合固氮蓝藻)与仅含有N的生物体区分开来(非蓝藻固氮生物)。

LLNL的nanoSIMS仪器允许在单细胞水平上对C和N稀有同位素进行量化，并且能够在样本在海洋中与标记的N2气体和CO2一起孵育后检测假设的固氮剂。

目前尚不清楚这一发现对海洋健康的意义。

“浮游植物的更多生长，部分由氮输入推动，可能有益于海洋生物，”Mayali说。“如果沉没的海洋颗粒在这种活动中含有更多的氮，它可能会使它们对生活在深海中的生物更有营养。”

更好地了解海洋N的来源也会影响预测海洋C吸收的能力，因为海洋浮游植物通常受到N的限制。如果它们有足够的N，它们将从大气中吸收更多的C。因此，即使新发现的生物体不进行光合作用，它们固定的N也可以被固定C的生物体使用。此外，发现这些N固定剂的海洋碎屑下沉是主要机制之一海洋中的天然C封存。

双同位素标记方法在其他领域有应用，例如土壤和生物燃料中的C储存。“我们可以使用这种方法在土壤和生产生物燃料的藻类作物中寻找这些类型的生物，特别是在固氮生物对生态系统健康很重要的氮贫乏环境中，”马亚里说。