“萨利·莱德”号科考船为研究固氮作用而从太平洋采集的水样。凯蒂·哈丁/LLNL拍摄。
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和加州大学圣克鲁兹分校的科学家们在海洋表面发现了以前假设的一类固氮物质。
氮的缺乏限制了海洋浮游植物的生长，而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阔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海的硝酸盐，以及一些蓝藻对大气中N2气体的生物固氮。
在《自然通讯》杂志上发表的一项新研究中，该团队发现了另一类固氮剂，它不是光合作用，而是与海洋颗粒有关，在海洋的某些部分固定氮。
“30多年来，科学家们已经知道这种可替代的固氮生物广泛存在于海洋表面，但直到现在我们都缺乏直接证据证明它们确实可以固氮，”首席作者、前LLNL研究生学者凯蒂·哈丁说。哈丁是加州大学圣克鲁斯分校乔纳森·泽尔实验室的一名研究生，泽尔花了几十年时间研究海洋固氮。
LLNL的科学家泽维尔·马亚利表示，发现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纳米sims仪器来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物似乎不是自由漂浮的，而是附着在海洋碎屑上，最终沉入深海。”
在这项新研究中，团队成员使用了结合碳(C)和氮(N)的稀有稳定同位素标记，这样他们就可以将同时含有N和C的生物(如光合作用固氮的蓝藻)与只含有N的生物(非蓝藻固氮生物)区分开来。
LLNL的nanoSIMS仪器允许在单细胞水平上定量C和N稀有同位素，并能够在样品与标记的N2气体和CO2在海上培养后检测假设的N固定物。
目前还不知道这一发现对海洋的健康有何意义。
“更多的浮游植物生长，部分依靠氮的输入，可以使海洋生物受益，”Mayali说。“如果下沉的海洋颗粒在这种活动中含有更多的氮，这可能会使生活在深海中的生物更有营养。”
更好地了解海洋氮的来源也会影响对海洋碳吸收的预测能力，因为海洋浮游植物通常受氮的限制。如果它们有足够的氮，它们将从大气中吸收更多的碳。因此，即使新发现的生物不进行光合作用，它们所固定的氮也可以被那些固定碳的生物所利用。此外，海洋碎屑的下沉，也就是发现这些固定氮的地方，是海洋中自然固碳的主要机制之一。
双同位素标记方法在土壤中碳的储存和生物燃料等其他领域也有应用。Mayali说:“我们可以用这种方法在土壤和生产生物燃料的藻类作物中寻找这类生物，特别是在氮贫乏的环境中，固氮生物对生态系统健康非常重要。”
LLNL纳米模拟装置的首席科学家Peter Weber和来自加州大学圣克鲁兹分校的其他合作者也参与了这项研究。这项工作由能源部科学、生物和环境研究办公室通过LLNL的生物燃料科学焦点区、利弗莫尔研究生学者项目、国家科学基金会和西蒙斯基金会资助。
