海洋新發(fā)現(xiàn)：馬尾藻固氮菌貢獻(xiàn)驚人，或改變氮循環(huán)格局

導(dǎo)語：馬尾藻引領(lǐng)氮循環(huán)革命？海洋固氮新探秘

固氮菌是一類微生物，可以將氮轉(zhuǎn)化為其他植物和動物可用的形式。近日，小編注意到一篇發(fā)表在 Plos ONE 上的新研究，揭示了在馬尾藻固氮現(xiàn)象中的重要發(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)研究是美國北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的研究人員主導(dǎo)的，對生活在馬尾藻屬海藻（Sargassum）中的固氮菌進(jìn)行了調(diào)查，確認(rèn)了固氮菌對海洋氮循環(huán)的重要貢獻(xiàn)。

馬尾藻是一種廣泛分布于全球海域的褐藻，其中有兩個物種，S. fluitans 和 S. natans，以游離的浮游形式存在于開放海洋中，形成大片的藻席和飄浮物。這些海洋中的藻席為海洋生態(tài)系統(tǒng)提供了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，成了多種海洋生物的棲息地、覓食所。

在過去幾十年里，人們對海洋固氮作用的重要性以及固氮菌的多樣性和生態(tài)學(xué)特征逐漸有了更深入的認(rèn)識。除了浮游形式的固氮菌外，還有一類與大型藻類、海草和紅樹林等附生生物共生的固氮菌。這些附生生物上的固氮菌對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的氮供應(yīng)至關(guān)重要，并對宿主的養(yǎng)分吸收起著重要作用。其實(shí)，馬尾藻上也存在著這樣的固氮菌，但在過去的研究中，人們普遍認(rèn)為這些固氮菌的貢獻(xiàn)微不足道，不值一提，對海洋氮循環(huán)的影響可忽略不計(jì)。

然而，在過去十年里，馬尾藻在北大西洋地區(qū)出現(xiàn)了異常大規(guī)模的生長現(xiàn)象，形成了被稱為“大西洋馬尾藻帶”的現(xiàn)象。這些藻類帶在海洋表面綿綿延延，占據(jù)了令人難以置信的廣闊面積，涵蓋數(shù)千平方公里的海域。海水在這片區(qū)域內(nèi)被染成令人眼花繚亂的翠綠色。這種現(xiàn)象在2011年以后的每個夏季都出現(xiàn)，并被認(rèn)為與2009年至2010年的強(qiáng)風(fēng)事件有關(guān)，將馬尾藻從薩爾加索海帶到熱帶大西洋，從而在那里形成大規(guī)模的藻類生長。這種現(xiàn)象導(dǎo)致馬尾藻在熱帶大西洋地區(qū)持續(xù)生長，形成了這種大規(guī)模聚集的現(xiàn)象，并對加勒比海和美國東南部的海灘造成了大面積侵襲。鑒于寡營養(yǎng)的大洋環(huán)境中氮的有限性，這些馬尾藻附生生物幾乎肯定在馬尾藻“群落的生產(chǎn)力”中起著關(guān)鍵作用。

圖：北大西洋、馬尾藻和大西洋馬尾藻帶的主要洋流 圖源：Celis L B,Estevez M, et al.

但口說無憑，需要科學(xué)證據(jù)。那么，如何衡量、量化呢？該研究團(tuán)隊(duì)將藻類固氮率與其他海洋來源進(jìn)行了比較，包括常見的研究對象，如浮游固氮菌和沿岸附生藻類（生長在其他植物上的植物）。他們發(fā)現(xiàn)，馬尾藻群落的固氮速率超越了這些來源，為海洋氮循環(huán)做出了重要貢獻(xiàn)，并可能對馬尾藻大量繁殖產(chǎn)生影響。

具體來說，為了量化這些馬尾藻附生生物對社區(qū)氮循環(huán)的貢獻(xiàn)，研究人員收集了長達(dá)六年（2015年至2021年）的固氮速率數(shù)據(jù)，并使用丙烯醛還原技術(shù)對馬尾藻上的固氮速率進(jìn)行測量。研究人員還將這些速率按照馬尾藻藻席的密度進(jìn)行了外推，以便與其他研究進(jìn)行比較，并將馬尾藻附生生物的固氮過程納入生物地球化學(xué)模型中。這項(xiàng)研究選擇丙烯醛還原技術(shù)是因?yàn)檫@種方法與其他馬尾藻社區(qū)的研究直接可比，并且在顆粒藻類研究中普遍使用。與其他技術(shù)相比，丙烯醛還原技術(shù)是一種測量總固氮速率的方法，可以定量衡量對整個群落的反應(yīng)性氮輸入，而不是測量凈固氮速率。此外，15N2示蹤技術(shù)中的氣體中含有相當(dāng)數(shù)量的生物可利用的15N氮物質(zhì)，這可能會人為地夸大固氮速率。

通過對24次采樣的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，馬尾藻附生生物的質(zhì)量特定固氮速率范圍在0到37.77 μmol N g-1 h-1之間，平均為4.156 μmol N g-1 h-1。按照藻席密度外推得到的平均固氮速率為3,697 μmol N m-2 d-1。與沿海大型植物和浮游生物的固氮速率相比，馬尾藻附生生物的固氮速率在海洋氮循環(huán)中具有相當(dāng)?shù)母偁幜Α＿@些發(fā)現(xiàn)表明，馬尾藻群落可能在廣泛的地理范圍內(nèi)對反應(yīng)性氮的供應(yīng)起著重要作用，值得進(jìn)一步研究。

圖中A部分顯示了不同航行日期的固氮率范圍（用彩色條表示）和平均率（用空心圓表示）。彩色條的顏色指示了每個航行日期的固氮率范圍是完全低于、穿過還是完全高于整體平均率（虛線）。下面的B部分說明了來自同一航行日期的重復(fù)試驗(yàn)之間標(biāo)準(zhǔn)誤差的范圍，根據(jù)這些相同的平均率類別進(jìn)行區(qū)分。

圖片來源：Claire Johnson等人

“在過去30年中，只有四項(xiàng)關(guān)于浮游海藻上附生藻類固氮率的研究得以發(fā)表，”來自北卡羅來納大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院地球、海洋和環(huán)境科學(xué)系的博士生克萊爾·約翰遜說道。她同時也是沿海研究所的研究助理。“我們能夠貢獻(xiàn)這個長期數(shù)據(jù)集，對這一過程進(jìn)行更新視角的研究，真的讓我們非常興奮。希望通過這樣的研究能夠引起人們對這個被忽視了數(shù)十年的問題的關(guān)注?！?/p>

這項(xiàng)研究，無疑是對于可能存在的“海洋固碳寶貝”的一項(xiàng)重要提醒。至少，通過對馬尾藻附生生物的固氮速率進(jìn)行長期觀測，這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)這些微生物對海洋氮循環(huán)的貢獻(xiàn)在過去還是大大的被低估了。隨著馬尾藻在北大西洋地區(qū)的異常增長，這些發(fā)現(xiàn)對于了解該地區(qū)的氮循環(huán)具有重要意義，并且可能對大西洋的氮平衡產(chǎn)生重要影響，也為進(jìn)一步探究海洋生態(tài)系統(tǒng)中固氮作用的重要性提供了有力的證據(jù)。感興趣的“海洋與濕地”（OceanWetlands）讀者朋友不妨去讀讀其原文：

Claire Johnson, Lindsay L. Dubbs, Michael Piehler. Reframing the contribution of pelagic Sargassum epiphytic N2 fixation. PLOS ONE, 2023; 18 (8): e0289485 DOI: 10.1371/journal.pone.0289485

參考文獻(xiàn)：

1.University of North Carolina at Chapel Hill. "Nitrogen fixation hotspots in Atlantic seaweed." ScienceDaily. ScienceDaily, 4 August 2023. <www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230804123809.htm>.

2. 海洋與濕地：當(dāng)馬尾藻遇見塑料垃圾、弧菌：一場完美的“病原體”風(fēng)暴。https://zhuanlan.zhihu.com/p/634704393

3. 新常態(tài)：巨大的腐爛褐藻團(tuán)浮現(xiàn)佛羅里達(dá)海灘。https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_22474976

編譯：王芊佳

審核：Sara

編輯：Tommy