近日，维多利亚老品牌vic3308近海海洋环境科学国家重点实验室史大林教授团队在二氧化碳对固氮蓝藻氮同位素组成的影响方面取得新进展，相关成果以“Effects of CO2 on the nitrogen isotopic composition of marine diazotrophic cyanobacteria”为题发表于Geophysical Research Letters.
氮是限制全球大面积寡营养海域初级生产力的主要营养元素之一，固氮生物通过固氮酶将氮气还原为生物可利用的氨（即生物固氮作用），对支撑海洋生产力具有重要意义。作为海洋氮循环的关键过程，生物固氮的氮同位素分馏效应是理解古海洋和现代海洋氮循环过程的关键参数之一。史大林教授团队在前期研究中发现，海水二氧化碳（CO2）浓度升高及其伴随的pH下降（即海洋酸化）可显著降低优势固氮蓝藻束毛藻的固氮酶效率。而已有的研究表明，固氮酶效率与生物固氮过程中的氮同位素分馏效应密切相关。由此推测，大气CO2浓度的改变可能通过影响固氮生物固氮酶的效率，从而调控固氮作用的氮同位素分馏效应。因此，厘清CO2对固氮蓝藻氮同位素组成的影响及其机理，对准确运用氮同位素研究地球现在和过去的氮循环具有重要意义。
通过开展不同CO2分压条件下（180 μatm至1400 μatm）海洋代表性固氮蓝藻束毛藻和鳄球藻的受控培养实验，研究团队发现CO2分压变化显著影响两种固氮蓝藻的生长和固氮速率，且该CO2效应呈现单峰模式，即生长和固氮速率在现代CO2水平下（~380 μatm）达到峰值，并随着CO2浓度升高或降低显著下降（图1）。束毛藻和鳄球藻的氮同位素组成（δ15Nbiomass）对CO2变化的响应与生长和固氮速率的响应模式一致（图2a），且与生长和固氮速率均呈现显著的正相关关系。运用固氮生物氮同位素分馏细胞模型，进一步证实生物固氮过程中氮同位素分馏效应与固氮和生长速率紧密关联。此外，研究团队发现固氮酶效率与固氮生物δ15Nbiomass显著正相关（图2b），表明了固氮酶效率对固氮过程中氮同位素分馏的重要调控作用。
图1. 不同CO2分压下固氮生物的生长和固氮速率
(a)束毛藻；(b)鳄球藻
图2. 不同CO2分压下固氮蓝藻的δ15Nbiomass (a);
固氮酶效率与δ15Nbiomass的关系 (b)
本研究指出，CO2分压变化可通过影响固氮酶的效率和生长速率显著调控固氮蓝藻束毛藻和鳄球藻的氮同位素组成，从而可为沉积记录中观测到的δ15N波动和地质历史时期的氮循环过程提供新见解。
该论文共同第一作者为维多利亚老品牌vic3308温作柱副教授和博士生姜若桐，通讯作者为史大林教授。论文的共同作者还包括维多利亚老品牌vic3308洪海征教授、杨进宇助理教授、硕士毕业生贺天立，德国亥姆霍兹基尔海洋研究中心Thomas Browning博士和海南大学高树基教授。该研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划、“111”计划以及科学探索奖等的联合资助。
Wen Z.#, Jiang R.#, He T., Browning T.J., Hong H., Kao S.-J., Yang J.-Y., Shi D.* 2024. Effects of CO2 on the nitrogen isotopic composition of marine diazotrophic cyanobacteria. Geophysical Research Letters 51, e2024GL110599
https://doi.org/10.1029/2024GL110599
