氮元素的奇幻漂流

作者：鄭俊強(qiáng) 姜萍（中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

氮，是我們每天必?cái)z入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，它以我們熟知的氨基酸形式存在于蛋白質(zhì)之中，如我們餐桌上常見的雞蛋、牛奶、豆奶、肉類等均含有豐富的氮?？墒?，這些蛋白質(zhì)中的氮元素又是從何而來(lái)呢？

微生物造就循環(huán)之旅

在我們腳下的土壤中存活著許多我們用肉眼看不到的微小生命體，科學(xué)家們把它們稱為微生物；在我們?nèi)祟惓霈F(xiàn)前，這些微生物已在地球上繁衍生息了數(shù)億年，它們當(dāng)中的大多數(shù)靠取食腐爛的動(dòng)植物尸體存活，也有一些棲息在活的動(dòng)植物體內(nèi)。雖然，它們個(gè)體微小，但是數(shù)量卻很驚人，小小的一捧土壤中就有上億個(gè)微生物（圖1），因此，它們的生命活動(dòng)不容小覷。土壤中的碳、氮、磷等化學(xué)元素的轉(zhuǎn)化都是由它們來(lái)完成的，從這一點(diǎn)來(lái)講，土壤微生物可以說(shuō)是地球工程師。

圖1 土壤顆粒表面附著的微生物（電子顯微鏡放大）

氮是動(dòng)植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素，它主要以氣態(tài)形式存在于大氣中，要經(jīng)過(guò)三個(gè)過(guò)程，即生物固氮過(guò)程、硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程, 才能完成它的輪回，并為植物根系吸收利用，然后，再供給動(dòng)物和人類（圖2）；上述的三個(gè)過(guò)程均是由微生物完成的。

圖2 氮循環(huán)示意圖

第一段旅程：氮?dú)夥肿幼兂砂被岷偷鞍踪|(zhì)

大氣中存儲(chǔ)著豐富的氣態(tài)氮分子，但遺憾的是這些氮分子是惰性的，植物和動(dòng)物自身不能直接利用；只有在微生物與植物協(xié)作下，才能將這些惰性氮?dú)廪D(zhuǎn)變?yōu)樯锟衫玫幕钚缘?，進(jìn)入植物體內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)榘被岷偷鞍踪|(zhì)，如大豆和花生；參與這個(gè)過(guò)程的微生物叫固氮菌，這個(gè)過(guò)程也被稱之為固氮作用。一般而言，固氮菌可分為三大類群，即自生固氮菌、共生固氮菌和內(nèi)生固氮菌。

自生固氮菌是指那些在土壤中能夠獨(dú)立進(jìn)行固氮作用的細(xì)菌。因?yàn)楣痰墓痰笇?duì)氧分子極為敏感，其活性的發(fā)揮必須在無(wú)氧條件下進(jìn)行。自生固氮菌歷經(jīng)數(shù)億萬(wàn)年，進(jìn)化出了一套固氮酶的防氧保護(hù)機(jī)制，能夠在進(jìn)行有氧生活的同時(shí)固定空氣中的氮。這些固氮菌保持很強(qiáng)的呼吸活性，借以維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)固氮酶周圍的低氧環(huán)境；另外，它們的細(xì)胞中還含有一種鐵硫蛋白，這種蛋白能與固氮酶結(jié)合，增加后者的穩(wěn)定性。除此之外，自生固氮菌的細(xì)胞壁外層有一薄層莢膜或粘質(zhì)，也能夠阻礙氧氣分子向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散。

一些被稱為根瘤菌的桿狀細(xì)菌能與豆科植物共生，在豆科植物的細(xì)根中形成根瘤并固定空氣中的氮?dú)?，供給豆科植物氮營(yíng)養(yǎng)元素，因此營(yíng)養(yǎng)學(xué)家們常常建議我們多食用豆類，滿足人體對(duì)蛋白質(zhì)的需求。這類根瘤菌能促使豆科植物根系異常增生，而且這些小家伙能以體表的鞭毛運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)尋找豆科植物，從豆科植物根毛侵入根內(nèi)形成根瘤（圖3），并在根瘤內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榉种Φ亩鄳B(tài)細(xì)胞，我們稱之為類菌體。

圖3 根瘤與根瘤菌

另外一些非豆科植物體內(nèi)也存在一些具有固氮能力的細(xì)菌，這些植物內(nèi)生固氮菌通常能定殖在健康植物體內(nèi)，與宿主植物進(jìn)行聯(lián)合固氮，這些多為土壤桿菌屬，能夠通過(guò)植物根系的傷口入侵多種雙子葉植物和裸子植物，致使植物細(xì)胞轉(zhuǎn)化為異常增生的腫瘤細(xì)胞，產(chǎn)生根癌、毛根或桿癭等。

第二段旅程： 蛋白質(zhì)蛻變?yōu)橄鯌B(tài)氮

植物和動(dòng)物死亡后，體內(nèi)的蛋白質(zhì)會(huì)被微生物降解為氨態(tài)氮，氨態(tài)氮經(jīng)由硝化作用變?yōu)橄鯌B(tài)氮。硝化作用可分為兩個(gè)階段：氨態(tài)氮氧化為亞硝態(tài)氮的氨氧化階段，亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮的亞硝酸鹽氧化階段；其中氨氧化作用,也被稱為亞硝化作用, 是硝化作用的第一步, 同時(shí)也是氮循環(huán)的限速步驟, 對(duì)全球氮循環(huán)起決定作用。

圖4. 蛋白質(zhì)降解

一百多年來(lái)，人們普遍認(rèn)為土壤中的氨氧化主要是由一些化能自養(yǎng)型的變形菌—即氨氧化細(xì)菌催化完成的，主要包括亞硝化單胞菌、亞硝化球菌、亞硝化螺菌和亞硝酸葉菌等。

圖5. 氨氧化

在土壤中, 目前所知的自養(yǎng)氨氧化細(xì)菌分別屬于亞硝化單胞菌屬和亞硝化球菌屬, 是β-變形菌亞綱的一個(gè)單源進(jìn)化簇，有別于海洋中的氨氧化細(xì)菌。自養(yǎng)型氨氧化細(xì)菌很難在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被分離培養(yǎng)，科學(xué)家們只能借助于微生物分子生態(tài)學(xué)方法，通過(guò)解碼16SrRNA基因或氨單加氧酶編碼基因來(lái)推測(cè)其在生態(tài)系統(tǒng)中的分布和數(shù)量。

在2004年前后，對(duì)于氨氧化微生物認(rèn)識(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，科學(xué)家們利用一種新進(jìn)發(fā)明的宏基因組學(xué)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，海洋中生活的一些古菌的基因組中含有類似細(xì)菌編碼氨單加氧酶的基因，而后2005年，科學(xué)家們又從美國(guó)西雅圖的水族館海水中分離培養(yǎng)到一株氨氧化古菌，徹底顛覆了人們對(duì)氨氧化微生物的認(rèn)識(shí)。

2006年，來(lái)自挪威卑爾根大學(xué)的雷寧格博士和斯蓋爾博教授在英國(guó)《自然》雜志上報(bào)道了它們的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中具有氨氧化功能的古菌數(shù)量可達(dá)氨氧化細(xì)菌的3000倍。緊隨其后，眾多研究證實(shí)氨氧化古菌廣泛分布于包括陸地、海洋和淡水湖泊中, 并且個(gè)體數(shù)量遠(yuǎn)高于氨氧化細(xì)菌。

第三段旅程：硝態(tài)氮又變?yōu)榈獨(dú)?/p>

反硝化作用顧名思義是與硝化作用相反的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程，是硝態(tài)氮還原為氣體氮素的過(guò)程。

反硝化作用將硝酸鹽還原為氣態(tài)產(chǎn)物, 是土壤中氮元素輪回的重要環(huán)節(jié)。這個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜：NO3?→NO2?→NO→N2O→N2，從硝酸鹽到氮?dú)忉尫?，需?個(gè)連續(xù)反應(yīng)步驟, 由反硝化細(xì)菌分泌的硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮(NO)還原酶和氧化亞氮(N2O)還原酶四種酶類催化完成。

圖6. 反硝化過(guò)程釋放氧化亞氮?dú)怏w和氮?dú)?/p>

起初人們發(fā)現(xiàn)反硝化細(xì)菌只能存活于無(wú)氧的環(huán)境中，但是，最近發(fā)現(xiàn)許多有氧氣環(huán)境中的微生物能在其細(xì)胞周質(zhì)中存放硝酸鹽還原酶；當(dāng)此酶在細(xì)胞周質(zhì)內(nèi)存在時(shí)，不再對(duì)氧分子敏感，因此，好氧條件下也能發(fā)生反硝化作用。影響反硝化作用的主要因子也不再是氧，而是有機(jī)質(zhì)和硝酸鹽含量。當(dāng)為反硝化作用提供底物，硝化和反硝化作用通常耦合發(fā)生。參與反硝化作用的微生物種類繁多，已發(fā)現(xiàn)有 80 多個(gè)屬的細(xì)菌和部分古菌、真菌和放線菌均可能參與反硝化作用。

打破平衡之后

自然狀態(tài)下上述三個(gè)過(guò)程是平衡的，但是如果人類向大氣和土壤中釋放了過(guò)量的氮素，這一平衡就會(huì)被打破。

這些微生物棲息在土壤里，原本與人類和平共處，相安無(wú)事；可是貪婪的人類首先打破了這種默契。為了應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的農(nóng)畜產(chǎn)品需求，近百年來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用量猛增，伴隨著家用汽車的普及和石油燃料燃燒，氮元素向生態(tài)系統(tǒng)輸入迅速增加。

大氣氮沉降增加已成為重要的全球氣候變化議題，沉降量不斷增加所帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，大氣氮沉降將增加銨根離子的硝化和硝酸根離子的淋失，進(jìn)而引發(fā)森林土壤酸化、營(yíng)養(yǎng)失衡、樹木發(fā)育衰退、生物多樣性減少和生產(chǎn)力降低。

科學(xué)家們對(duì)現(xiàn)有森林進(jìn)行施氮肥模擬大氣氮沉降，他們發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期過(guò)量氮沉降能給土壤微生物帶來(lái)負(fù)面影響；例如，改變微生物群體的種類、個(gè)別微生物種的數(shù)量和生活能力，同時(shí)也改變土壤微生物對(duì)植物枯枝落葉和根系的分解能力和速率。

圖7. 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)釋放的氮素通過(guò)干濕沉降到生態(tài)系統(tǒng)

歐洲的科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)森林氮飽和的臨界負(fù)荷最小值為每年每公頃10千克氮，但目前歐洲中部地區(qū)大部分森林氮輸入量為每年25到60千克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了森林對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)元素年均需求量。而在北美地區(qū)，某些森林生態(tài)系統(tǒng)的氮輸入量每年每公頃達(dá)40千克。來(lái)自中國(guó)科學(xué)家的調(diào)查也不容樂觀，每年降雨中所攜帶的硝酸根離子和沉降量與美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相接近，而降雨中的銨根離子濃度則更高，其沉降量也更大，分別是美國(guó)和日本的4倍和3.7倍。

美國(guó)科學(xué)家在哈佛森林的松林林地的研究發(fā)現(xiàn)，微生物總量比未施氮林地減少了68%，闊葉林則減少了59%；同樣，在維吉尼亞西部的2個(gè)氮飽和林地里亦發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，即微生物總量和真菌/細(xì)菌比率隨著施氮水平增加而減少。另外，在英國(guó)北部的一個(gè)大草場(chǎng)樣地，同樣發(fā)現(xiàn)增施氮肥的草地土壤中真菌/細(xì)菌生物量比率顯著低于未施氮的土壤。

來(lái)自美國(guó)環(huán)保部國(guó)家健康與環(huán)境影響實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，與氮元素密切相關(guān)的微生物，特別是在高劑量氮肥處理的土壤中發(fā)現(xiàn)了大量的具有單加氧氨酶基因微生物，這是一類重要的硝化作用微生物，而在未增施氮肥的林地土壤中則沒有發(fā)現(xiàn)；另外一種固氮細(xì)菌獨(dú)有的基因在施氮肥土壤中沒有發(fā)現(xiàn)，而在其它土壤中均有發(fā)現(xiàn)，這暗示了氮沉降增加已改變了固氮微生物類群。這些微生物群體的變化很可能會(huì)影響氮的輪回，進(jìn)而影響我們的餐桌美食。