海洋新发现：马尾藻固氮菌贡献惊人，或改变氮循环格局
固氮菌是一类微生物，可以将氮转化为其他植物和动物可用的形式。近日，“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到一篇发表在 Plos ONE 上的新研究，揭示了在马尾藻固氮现象中的重要发现。这项研究是美国北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员主导的，对生活在马尾藻属海藻（Sargassum）中的固氮菌进行了调查，确认了固氮菌对海洋氮循环的重要贡献。
马尾藻是一种广泛分布于全球海域的褐藻，其中有两个物种，S. fluitans 和 S. natans，以游离的浮游形式存在于开放海洋中，形成大片的藻席和飘浮物。这些海洋中的藻席为海洋生态系统提供了复杂的结构，成了多种海洋生物的栖息地、觅食所。
在过去几十年里，人们对海洋固氮作用的重要性以及固氮菌的多样性和生态学特征逐渐有了更深入的认识。除了浮游形式的固氮菌外，还有一类与大型藻类、海草和红树林等附生生物共生的固氮菌。这些附生生物上的固氮菌对当地生态系统的氮供应至关重要，并对宿主的养分吸收起着重要作用。其实，马尾藻上也存在着这样的固氮菌，但在过去的研究中，人们普遍认为这些固氮菌的贡献微不足道，不值一提，对海洋氮循环的影响可忽略不计。
然而，在过去十年里，马尾藻在北大西洋地区出现了异常大规模的生长现象，形成了被称为“大西洋马尾藻带”的现象。这些藻类带在海洋表面绵绵延延，占据了令人难以置信的广阔面积，涵盖数千平方公里的海域。海水在这片区域内被染成令人眼花缭乱的翠绿色。这种现象在2011年以后的每个夏季都出现，并被认为与2009年至2010年的强风事件有关，将马尾藻从萨尔加索海带到热带大西洋，从而在那里形成大规模的藻类生长。这种现象导致马尾藻在热带大西洋地区持续生长，形成了这种大规模聚集的现象，并对加勒比海和美国东南部的海滩造成了大面积侵袭。鉴于寡营养的大洋环境中氮的有限性，这些马尾藻附生生物几乎肯定在马尾藻“群落的生产力”中起着关键作用。
图：北大西洋、马尾藻和大西洋马尾藻带的主要洋流 图源：Celis L B,Estevez M, et al.
但，口说无凭，需要科学证据。那么，如何衡量、量化呢？该研究团队将藻类固氮率与其他海洋来源进行了比较，包括常见的研究对象，如浮游固氮菌和沿岸附生藻类（生长在其他植物上的植物）。他们发现，马尾藻群落的固氮速率超越了这些来源，为海洋氮循环做出了重要贡献，并可能对马尾藻大量繁殖产生影响。
具体来说，为了量化这些马尾藻附生生物对社区氮循环的贡献，研究人员收集了长达六年（2015年至2021年）的固氮速率数据，并使用丙烯醛还原技术对马尾藻上的固氮速率进行测量。研究人员还将这些速率按照马尾藻藻席的密度进行了外推，以便与其他研究进行比较，并将马尾藻附生生物的固氮过程纳入生物地球化学模型中。这项研究选择丙烯醛还原技术是因为这种方法与其他马尾藻社区的研究直接可比，并且在颗粒藻类研究中普遍使用。与其他技术相比，丙烯醛还原技术是一种测量总固氮速率的方法，可以定量衡量对整个群落的反应性氮输入，而不是测量净固氮速率。此外，15N2示踪技术中的气体中含有相当数量的生物可利用的15N氮物质，这可能会人为地夸大固氮速率。
通过对24次采样的分析结果发现，马尾藻附生生物的质量特定固氮速率范围在0到37.77 μmol N g-1 h-1之间，平均为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为3,697 μmol N m-2 d-1。与沿海大型植物和浮游生物的固氮速率相比，马尾藻附生生物的固氮速率在海洋氮循环中具有相当的竞争力。这些发现表明，马尾藻群落可能在广泛的地理范围内对反应性氮的供应起着重要作用，值得进一步研究。
图中A部分显示了不同航行日期的固氮率范围（用彩色条表示）和平均率（用空心圆表示）。彩色条的颜色指示了每个航行日期的固氮率范围是完全低于、穿过还是完全高于整体平均率（虚线）。下面的B部分说明了来自同一航行日期的重复试验之间标准误差的范围，根据这些相同的平均率类别进行区分。
图片来源：Claire Johnson等人
“在过去30年中，只有四项关于浮游海藻上附生藻类固氮率的研究得以发表，”来自北卡罗来纳大学艺术与科学学院地球、海洋和环境科学系的博士生克莱尔·约翰逊说道。她同时也是沿海研究所的研究助理。“我们能够贡献这个长期数据集，对这一过程进行更新视角的研究，真的让我们非常兴奋。希望通过这样的研究能够引起人们对这个被忽视了数十年的问题的关注。”
这项研究，无疑是对于可能存在的“海洋固碳宝贝”的一项重要提醒。至少，通过对马尾藻附生生物的固氮速率进行长期观测，这项研究发现这些微生物对海洋氮循环的贡献在过去还是大大的被低估了。随着马尾藻在北大西洋地区的异常增长，这些发现对于了解该地区的氮循环具有重要意义，并且可能对大西洋的氮平衡产生重要影响，也为进一步探究海洋生态系统中固氮作用的重要性提供了有力的证据。感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者朋友不妨去读读其原文：
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
编译 | 王芊佳
编辑 | Sara
【参考资料】
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. 海洋与湿地：当马尾藻遇见塑料垃圾、弧菌：一场完美的“病原体”风暴
https://zhuanlan.zhihu.com/p/634704393
3. 新常态：巨大的腐烂褐藻团浮现佛罗里达海滩
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_22474976
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