综述 | Science：对海洋固氮观点的改变
编译：gu作成熟，编辑：小菌菌、江舜尧。
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论文ID
原名：Changing perspectives in marine nitrogen fixation
译名：对海洋固氮观点的改变
期刊：Science
IF：41.063
时间：2020.3
通讯作者：Jonathan P. Zehr，Douglas G. Capone
通讯作者单位：加州大学圣克鲁兹斯分校，南加州大学
综述框架
前言
地球碳氮代谢对于维持地球的肥力和宜居性至关重要。氮是地球上第二大最丰富的元素，但是尽管大气中有大量的氮气，但其可利用性通常会限制陆地和水生生态系统的生长和生产力。生物氮固定是复合氮的一个重要来源，最终通过厌氧微生物(典型反硝化和厌氧氨氧化(anammox))将无机形式的氮还原为氮气而造成的损失来平衡。N2固定、大气沉积、陆地径流和内部再分配(通过深海硝酸盐的混合或上升流)是流入上层海洋的“新”氮的外部来源，可以支持氮和与之相关的碳进入深海的下沉和损失。这些过程对于大气CO2动态和全球气候变化具有直接重要性。正如人类活动扰动碳循环，人为活动通过在Haber-Bosch过程中化学还原N2气体以制造N肥料而大大改变了氮循环，造从而导致内陆水域和沿海海域富营养化，并增加了一氧化二氮的产生,一种强有力的温室气体。这些对碳和氮循环的复合扰动直接影响海洋固碳的总体能力。生物固氮在一定程度上限制了海洋的最终生产力，因为氮是整个大洋表层区域的限制性养分。就在十年前，有几个广泛持有的假说，关于氮气固定在哪里，哪些生物是重要的，以及氮气固定是否被盆地和全球尺度的损失所平衡。从基因和基因组水平到整个生态系统水平的广泛研究，利用分子生物学、营养和同位素地球化学以及卫星遥感等领域的方法，扩大了参与这一过程的微生物的已知生境和多样（图1）。N2固定也在生理、生态和生物地球化学模型中得到了明确的体现，这些模型有助于组织和完善我们对其在海洋中的地理分布和数量重要性的知识。
图1 在海洋环境中N2固定。N2固着分布于海洋生境;提示最近发现的支持N2固定的新代谢模式。在沉积物，热液喷口，珊瑚，其他生境以及地表海洋中都观察到了N2固定和N2固定剂。海洋表面重氮营养体包括Trichodesmium, Crocosphaera, ucyna共生体，硅藻共生体和非蓝藻细菌重氮营养体(NCDs)
结果
1 共生和自生重氮营养蓝细菌的多样性
通过分子生物学和基因组学方法的发现，发现了固定的N2固定微生物。近年来，利用聚合酶链反应(PCR)和定量PCR技术，从海洋 DNA样本中扩增和测序了固氮酶单细胞蓝藻和异养(可能包括光异养)细菌的固氮酶基因。最近，元基因组学和元转录组学表明，固定N2的微生物组合远比以前认识到的多样化(图2)。在这些研究之前，海洋N2固定主要归因于非异核细胞形成的Trichodesmium和共生异核细胞形成的Richelia. 与Trichodesmium和硅藻共生体不同，一些新发现的N2固定器不能在宏观上看到，甚至不能在显微镜下看到。过去二十年来最引人注目的发现可能是在较小的海洋微浮游生物中发现了大量的N2固定率。直到在广泛位置（包括序列群UCYN-A，-B和-C）通过固氮酶基因测序发现单细胞蓝藻在重氮营养中。更加令人惊讶的是一种未栽培的物种，称为UCYN-A（Candidatus Atelocyanobacterium thalassa）（图2）。UCYN-A是一种非常不寻常的蓝细菌，具有很小的基因组和极高的代谢效率，可在与单细胞触藻藻类Braarudosphaera bigelowii（真核生物自养生物）的共生中发现。UCYN-A不像典型的蓝细菌那样固定二氧化碳或进行光合作用，它可能是与触藻共生的共生体，并且已被直接证明可以固定N2在不同的地理位置。这一发现暗示了细胞器的起源和进化，但它也是一种不寻常的单细胞共生关系，使白天的N2能被单细胞蓝藻固定，这在营养贫乏的海洋的低营养水域很重要。
图2 远洋N2固定微生物的系统发育和显微镜观察。（A）如今，蓝细菌不仅包括毛线虫和硅藻共生体Richelia和Calothrix，而且还包括单细胞共生体UCYN-A和自由生活的单细胞Crocosphaera（UCYN-B）。(B)不同的光异养或异养物种已被核酸方法检测，但目前正在评估其在N2固定中的作用.
2 非蓝藻重氮营养体的潜在作用
与单细胞蓝细菌N2固定剂一起，在北太平洋ALOHA站以基因序列和基因转录本（mRNA）的形式发现了非蓝细菌重氮细菌（NCDs；异养或光异养细菌）。最近，尽管NCDs对公海N2固定的影响尚未得到证实，但它分布广泛且极其多样化的事实已经变得很清楚。NCDs的高度多样性和广泛分布的发现是有趣的，但神秘的。虽然异养细菌在陆地N2固定中很常见，但它们栖息在富含有机质的土壤中或与碳固定植物共生。海洋中的氮有限的贫营养型生境也具有非常低的溶解有机物浓度，并且被溶解的O2所饱和，这对氮酶具有抑制作用。一种合理的解释是，异养的N2固定细菌大多与富含有机物的颗粒有关，这些颗粒的物理结构可以限制扩散，使O2浓度降低，N2固定发生。NCDs对N2期固定的相关作用和贡献是一个需要解决的主要未知问题.海洋表面重氮营养微生物的系统发育和生理知识，包括自由生活的共生蓝藻细菌和NCDs，对于提高我们对海洋N2固着性的理解至关重要，但关于重氮营养体的分布和丰度、N2固着率和N2固着性的食物网命运的详细信息仍然缺乏。我们仍然不确定哪些微生物对全球海洋N2的固定作用最大。根据微生物分布和活动来校正生物地球化学估计仍然是未来的挑战。
3 生理策略和生态控制的新观点
N2固定需要耗费精力，而且对O2的抑制和失活非常敏感。不同种群的N2固定微生物的作用和数量重要性是生理适应和生态控制对生长和活动的作用，进而决定了单个物种和群体的地理分布、生态竞争力和活动。近年来，结合分析模型对生长和生理控制的分子水平的理解，为理解N2固定发生的时间和地点带来了希望，但当模型预测与稳健的现场观察结果不一致时，也提出了更多问题。重氮化物的关键生理特征是保护免受O2侵害的机制（包括在光自养蓝细菌中产生O2），从光（蓝细菌）或溶解的有机物（异养菌）获取能量，非氮养分获取策略和相对敏感性。这些物种的生理信息依赖于与自然种群无关的新型栽培方法。共生是海洋和陆地环境中N2固定的一个重要特征。Trichodesmium有一个复杂的微生物群。两组开放海洋固定N2的蓝细菌Richelia / Calothrix和UCYN-A与单细胞藻类共生（分别为硅藻和触藻类）。这意味着真核生物伙伴的生理能力(宿主)具有决定生态竞争力和生态位的关键生理特征。虽然关于单细胞硅藻和单倍体寄主的生理学还有很多待于了解，但在缺乏营养的高光环境中，将真核生物的光合作用和生长与蓝藻固氮结合的能力显然是一个优势，也是当前和未来研究的一个重要领域。特定重氮营养体的生长速率是最重要的特征之一，因为它决定了它们相对于其他固氮和非固氮物种的竞争能力。固定N2的微生物的生长率通常被认为比非固定N2的微生物的生长率要低，这个假设支撑了许多数学模型。然而，最近的估计表明，一些重氮营养体，特别是未培育的UCYN-A，可能比先前假设的生长速率更高。这对于理解和预测海洋中N2的固定是至关重要的，但是很难确定，因为实验室培养实验不一定代表原位比率。此外，许多新发现的N2固定器仍未培育，而且只能通过间接方法估计自然种群的生长速度。了解增长率是模型的关键参数，但对于理解生态系统通量和固氮微生物固氮的决定性至关重要。因此，这是一个悬而未决的重要研究领域。
最终通过损失过程来平衡增长，而损失过程对于海洋N2固定剂也鲜为人知。据报告，Trichodesmium可能会死于病毒，但是其他重氮营养体的病毒尚不清楚。有些物种，比如共生硅藻(硅藻经过硅测试)，具有负浮力，可以形成密集的水华，而水华下沉速度相对较快，因此可以成为将氮(和C)从表层输送到深海的重要载体。最近在西南太平洋进行的中尺度研究表明，氮从Trichodesmium的花朵直接转移到上部食物网的各个组成部分。然而，其他较小的重氮营养体在食物链中可能遵循不同的路径，它们的命运却鲜为人知。通过研究确定最近固定的N进入食物网的通量以及去除这些不同亚组所涉及的损失过程，我们对N2固定对更广泛的生态影响以及N2固定模型的准确性的理解将得到改善。
4 光合作用，氧气和海洋N2固定
氧气是控制O2演变型蓝细菌中N2固定的重要因素。大多数蓝藻细菌通过在夜间固定N2来避免固氮酶失活，或者在空间上将营养细胞的光合作用与特殊的缺乏产氧光合作用的杂泡细胞的固氮酶分离(图3)。Crocosphaera是一种典型的单细胞N2固定蓝藻细菌，主要在黑暗期固定N2，固氮酶基因在黑暗期之前表达 (图3)。硅藻(Richelia和Calothrix)与自由生活的球藻和无孢子藻(Aphanizomenon)的共生体将N2固定在杂泡中，从而避免了光合产生的O2的抑制。每天的蓝藻N2固定与Trichodesmium，Crocosphaera，Richelia和UCYN-A中基因表达与复杂周期相协调(图3)。N2固定的细胞成本模型表明，除了利用呼吸作用来保护固氮酶外，Crocosphaera还必须具有O2屏障。尽管人们已经对Trichodesmium有了很多了解，但它仍使研究人员感到困惑，因为它没有明显分化的异形细胞（如Richelia），但主要在光线下固定了N2（与Crocosphaera相反）。早期的研究表明，菌落(聚集)的形成有利于缺氧微区的形成，但新方法的应用表明，显然不是这样。管如此，代谢模型已经被用来评估这种空间分离可能如何工作。研究还表明，尽管Trichodesmium主要在光照期间固定N2，但如果添加了镍元素，它将在大部分黑暗时期固定。关于海洋重氮菌如何避免O2灭活的知识还有很多，这对于理解昼夜循环和蓝细菌N2固定的深度分布很重要。由于海洋中的N2固定共生体大多是单细胞的，其潜在机制可能对农业和水产养殖中开发N2固定植物具有有益的生物技术意义。
尚未得出结论，海洋UCYN-A确实是内共生的（细胞内），但是日本沿海水域相关UCYN-A2的图像清楚地表明它们是。UCYN-A缺少三个kai基因中的两个，kai基因对蓝藻的昼夜节律很重要。UCYN-A N2固定的周期，虽然还不清楚，但可能涉及到一个新的昼夜节律网络或与宿主细胞昼夜节律的协调，或可能仅仅依赖于宿主光驱动代谢产物的产生。UCYN-A固氮酶的活性很容易受到白天从触藻中释放出的O2的抑制作用，并且最近的研究表明，类霍普尼膜脂质可能是UCYN-A和其他N2固定剂中O2扩散的重要障碍。这种策略也可能在其他非杂核形成蓝藻(如Trichodesmium和和Trichodesmium微生物群的异养成分应该是未来研究的重点。
在缺乏营养的表层海洋中没有代表性的NCD分离株。因此，尚不清楚它们是否活跃，以及它们如何适应有氧条件下固定N2。固氮细菌已被证明在富含有机质的颗粒和可能在还原O2的微区中具有活性，但这还没有被证明是一种普遍现象。适用于假设的海洋异养菌的固氮细菌中N2固定的生理模型发现，细菌需要几种机制来避免O2抑制，或者必须存在于相对较低的O2生境中。一些不同的异养重氮营养体可能含有变形菌视紫质，并且是功能上的光异养而不是化能异养，这可能是相关的，特别是考虑到最近建立的这种类型的代谢普遍存在于海洋异养细菌中。解异养或光养NCD细菌在海洋表面是否活跃，它们从哪里获得能量，以及它们如何避免O2抑制是理解海洋N2固定的重要问题。
5 氮固定和固氮微生物的分布的营养控制
氮固定剂竞争非氮养分的能力决定了氮固定剂在生态上以及氮固定的生物地理学的成功。不同的物种对低养分利用率有不同的反应和适应，实验显示，限制固氮微生物生长的养分随着空间和时间而变化。生理性状包括基本细胞大小和与营养资源相关的生长速率;高亲和力转运蛋白（pstS）在Crocosphaera中表达的分析表明，低磷的可利用性可能导致了胁迫和生长受限。有机磷化合物包括多种种类，被认为是微生物的不稳定来源。一类有机P化合物是膦酸酯，其具有C-P键且在Trichodesmium中含量丰富。因此，利用有机形式的磷作为营养来源，为某些物种提供了生态优势。磷是如何限制未培育的重氮营养体的生长的，目前还不太清楚，但无机磷的添加已被证明可以刺激UCYN-A的生长。
如果由于固氮酶中富Fe-S中心体可以使N2固定剂中Fe的细胞配额更大，那么Fe的可用性就特别重要。铁主要以氧化(铁)形式存在于含氧海水中，也可与有机配体复合，大多数集中于溶解的铁。然而，其他被忽视的来源，例如沉积物的通量，也可能是重要的。与铁代谢有关的关键基因参与运输，例如FutA / idiA，它们在铁的限制下表达更高。在Crocosphaera中，已经证明了一种有效的铁利用适应性，将铁从一种蛋白质转换到另一种蛋白质，可以通过在白天向光合反应(PS1)中心提供铁，并在晚上在固氮酶中重复利用铁，从而有助于降低总的铁需求。
磷和铁的组合相对可利用性在决定N2固定的地理分布、活性和物种组成方面是重要的。在某些地区(如南大西洋和南大西洋)，铁似乎是重氮营养生长的控制因素而P可能是其他元素中更关键的元素（图4）。有趣的是，磷和铁的有效性与物种响应之间存在相互作用，其中低铁可以增加磷胁迫下某些蓝细菌的相对生长速率。长期以来人们一直认为，在固定氮浓度较低的情况下，固定氮非常重要；在可获得混合氮资源的条件下，固定氮的微生物在生态上没有竞争力。从能量上讲，固氮成本很高，尽管仅比使用NO3–成本高一点（〜25％），并且从培养工作和环境中获得的证据表明，当固氮浓度适中时，固氮微生物可以存在并具有活性。N2固定范式的这种变化扩展了可以预期使用N2固定的环境，并且更广泛地扩展了N2固定的全球生物地理范围。
图4 已知的N2固定图。该地图基于Capone等人之前已知的Trichodesmium分布(绿色边界)，以及现在已知的包括沿海地区和北冰洋在内的各种固氮微生物的一般分布。指出了磷和铁的粗界限。具体采样站和详细数据见Luo等人。
6 N2固定的新栖息地
在过去的二十年中，据报道存在N2固定剂并活跃在以前认为对N2固定不重要的区域，包括营养丰富的沿海和低温高纬度水域。最近，两者都显示有大量活跃的UCYN-A群体(图1和图2)。ODZs，其降低的O2和结合的N水平，可能是某些NCD重氮营养体的理想栖息地。然而，尽管存在推定的NCD的nifH序列，但其他最近的研究并未发现北太平洋或热带南太平洋ODZ东部的亚共沸带站有活跃的N2固定作用。
尽管如此，如Benavides等人所论证的那样，如果所报道的在次共沸带的直接测量速率是真实的。尽管如此，如Benavides等人所言，如果所报告的在亚共沸带中直接测量的比率是真实的，那么从这些直接测量结果来看，按比例放大的N2固定化综合速率在全球范围内在数量上很重要，且具有大量的这些栖息地。但是，这些投入应包括在利用营养和同位素进行的流域规模分析中，因此不应改变这些方法得出的预算估计数。虽然在近光照区和低氧水域中NCD中N2固定物的存在扩展了承载重氮营养体的海洋栖息地，但这种输入和相关因子的空间和时间变异性在很大程度上仍不清楚，它们对全球海洋N2固定的定量重要性也不清楚。在包括珊瑚礁，海草和沉积物在内的一系列沿海生境中，已经广泛检查到了N2的固定（图1）。虽然底栖生物栖息地的范围已大幅扩大，但深海底栖生物是所有海洋生境中研究最少的，而且可能还有新的地点和微生物有待发现。
7 N2固定和平衡与N损失的全球分布
维持全球海洋氮输入的平衡，包括氮的固定，以及氮的损失，对于长期维持海洋的肥力至关重要(图5)。但是，海洋学研究在相当长的时间内一直很少关注N2固定，直到可以使用确定N2固定速率的便捷方法为止。相反，已经广泛研究了反应性N损失回到N2（现在已知是通过厌氧氨氧化和规范反硝化作用），并且在架子沉积物和主要ODZ中似乎是主要的。到1990年代，将现有的N2固定方法外推到盆地规模，这表明N2固定方法远不及损失，这表明尚未确定来源和生物，估计中存在误差（例如，对N2的估计过高）。预算失衡将对当代海洋生产力、温室气体生产(如一氧化二氮)和消费产生重要影响，而且不可能在不对海洋生产力产生重大影响的情况下长期维持下去。但是，由于这种观测的密度相对较低，地理范围有限，从测量中推断出流域尺度率的准确估计仍然是一项持续的挑战。
雷德菲尔德首先指出，深海中由表面衍生的有机物再矿化后，深海浮游生物的元素组成与关键营养素的比例之间的对应关系，尤其是硝酸盐和磷酸盐（N：P）并称为Redfield比（C：N：P = 106：16：1）。长期以来，人们一直认为这些比率在海洋中是相对不变的。然而，过去几十年对全球海洋营养物质的广泛调查表明，实际上这些比率的价值范围很大(图5)。氮固定的一个后果是有机质中氮相对磷的富集，而高的地下氮磷比值与大量氮固定区域有关。从这些比率的地球化学梯度中，我们得到了流域和全球尺度的N2固定和反硝化估计值。同样，硝酸盐中N随时间和空间积分的同位素特征也被用来推断N2固定和反硝化积分率。
最近一项使用两种独立建模方法的研究预测N2固定区域与实地观察结果更加一致，但仍在南太平洋和南大西洋环流中得出相对较高的比率，这与之前的几项实地研究不一致。这项研究还预测了北大西洋赤道上升区的低速率，这与基于硝酸盐同位素特征的盆地规模趋势的近期观测和相对较高的固氮率的地球化学推断相反。
所有估计流域和全球尺度N2固着率的方法都有很大的偏差和假设。尽管如此，基于营养物质及其同位素分布的建模方法仍然是目前在这些尺度上进行估算的最佳方法。因此，海洋氮循环输入和去除的相对平衡状态，N2固定和反硝化耦合的强度和时间尺度，仍然存在广泛的争论，尚未得到最终的解决。
N2固着微生物的分布、N2固着率的直接测量以及限制N2固着的营养素的确定为N2固着发生的时间和地点提供了补充观点(图4)。基于N2固定微生物的大小分类的新模型提供了预测不同种群对营养物质和海洋循环如何反应的能力，以及可视化不同物种生长的能力。这些模型可用于预测长时间间隔内的分布和动态，并可用于预测全球气候变化的可能影响。
铁和磷的可用性(投入、浓度和化学形式)被认为是控制特定重氮营养体分布和N2固定率的两个主要因素。全球模式中气溶胶粉尘中铁的大气沉积的可能是重氮营养群落结构和海洋表面氮固定量的关键决定因素。物理过程在平流提供营养方面可能很重要，例如在北大西洋，营养限制的性质驱使微生物群落的物种组成，包括重氮营养体。测量和模拟N、P和Fe限制的新方法已经开始允许我们预测广泛的地理模式 (图4)。目前正在通过国际GEOTRACES计划对海洋金属分布进行全面采样，这将使我们对金属动力学如何影响整个海洋中的浮游生物种群，尤其是重氮营养菌的理解有了重大突破。
图5。海洋表层N流的概念模型。该模型将氮气固定、深水中的再生以及对深水氮磷比的影响联系起来，这些氮磷比用于估计氮气固定率，并考虑到已知的全球环流和大规模海洋区域的整合。
8 海洋N2固定、全球变化和未来
固氮微生物群落现在被认为比以前所认识的更加多样化，包括未培养的共生蓝藻和异养生物。尽管这些发现导致了观点上的重大变化，但在我们能够理解和预测海洋中N2的固定状态之前，还有许多问题有待解决，包括生物信息、相互作用和控制N2固定的因素。下一个十年有望产生令人兴奋的新见解，以及更多关于海洋N2固着的转变。理解N2的固定及其在海洋氮循环中的作用，对于理解和预测全球环境变化对海洋生物和化学的影响至关重要。海洋N2固着性与海洋氮循环的其他组成部分都会受到这些应激源的影响。
上层海洋的变暖可能有益于某些海洋重氮营养菌（如Trichodesmium）的生长。还显示出增加的CO2浓度可刺激Trichodesmium和某些单细胞蓝细菌中的N2固定和CO2固定，尽管其他报告并未观察到以UCYN-A为主的组合的这种刺激。新的研究集中于通过转录组学和模型来阐明这些反应的潜在机制。Trichodesmium长期暴露于高浓度的CO2中会导致其基础基因组中编码有适应性反应，这可能有助于固定N2的生物适应长期的环境变化。
由于农业氮肥合成的扩大，从大气和陆地径流向海洋的固定氮通量也在迅速增加，而且在沿海水域已经发现了与大气沉降和径流有关的表面组合氮的增加。尽管在低水平的结合氮存在下已经注意到了N2固定，但是结合N的充分沉积最终会抑制上层海洋中的N2固定，并起到负面，稳定的反馈作用。确定加速的氮通量对海洋氮平衡（包括氮去除途径）和对海洋生产力的总体影响，应该是未来十年的研究重点。
展望未来，海洋N2固着将在海洋养殖、生物技术和地球工程三个关键应用领域发挥作用。水产养殖，包括鱼类和海藻，是全球新兴的企业。随着野生渔业急剧减少，水产养殖将日益满足日益膨胀的人口对营养蛋白质的需求，并在碳封存方面促进海洋的“蓝色经济”。水产养殖业已经得到了很好的发展，在许多国家正在蓬勃发展，在其他国家迅速扩大。沿海水产养殖系统通常需要添加外源营养物才能成功，而发展固定N2的伙伴来补贴含氮营养物需求，与它们在农业系统中的重要性平行，似乎是一个明显的未来方向。已经获得了高度嗜热重氮营养古菌的分离株，可以作为氨生物合成方法的模型，这种方法比Haber-Bosch过程成本更低，可能与固氮酶产生H2相耦合。
含铁的海洋施肥曾被认为是一种潜在机制，通过刺激表面浮游植物种群从而导致碳封存来减缓大气中二氧化碳的增加。人们认为海洋施肥的主要地区是海洋中养分含量高(或硝酸盐含量高)、叶绿素含量低(HNLC)的地区，如赤道太平洋和南大洋地区，这些地区的铁相对于大量营养元素来说供应不足。低营养，低叶绿素（LNLC）区域也可能通过刺激蓝细菌重氮营养菌而易受铁肥的影响，并且在碳固存的背景下也已考虑过。许多由科学驱动的远洋实验表明，在其中一些地区，铁的添加对浮游植物有刺激作用，尽管关于净碳封存的综合结果仍然不明确。此外，类似的直接刺激N2固定物的现场添加铁尚未观察到。
过去的十年带来了关于海洋N2固着的新知识和新理解。我们现在对海洋中固氮物种的组成和它们在氮循环中的作用有了更多的了解。我们也有更好的估计和数学模型来估计N2固定以及N2固定微生物的生长和分布。然而，问题仍然是，海洋中的氮收支是否平衡，哪些物种或群体是海洋中固定氮的主要贡献者，以及在未来全球环境变化的情景下，这些将如何变化。有了新的微生物学、基因组学和同位素方法，接下来的十年很可能会有新的发现，并进一步改变我们对海洋N2固定的看法和模式。
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