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、海洋与地球学院氮循环研究组在寡营养海区固氮来源氮的归宿方面取得新进展，相关成果以“Light-driven integration of diazotroph-derived nitrogen in euphotic nitrogen cycle”为题，发表在Nature Communications.
该研究通过同位素标记技术和人工周期光强培养，揭示光强如何塑造固氮速率垂直单峰分布以及驱动固氮来源氮在真光层中的不同传输路径，即在高光区，固氮来源氮流向藻类再吸收，而在低光区，其被硝化微生物利用。上述发现揭示了真光层氮循环的精细化结构。
在寡营养的海洋区域，氮的有限供应常常是限制浮游植物生长的关键因素。固氮微生物释放的自身固定的氮（diazotroph-derived nitrogen，DDN）至水体中，后被周围生物利用（即传输过程）。这一过程有助于缓解氮的限制并支持初级生产。目前，关于DDN的释放及其在真光层内的传输过程的研究仍然不足，尤其是对释放DDN的传输去向缺乏系统了解。同时野外观测中固氮速率垂直剖面经常在30-50米出现极大值，这种垂直单峰分布的控制因子也不明晰。
该研究基于2020-2021年在西北太平洋副热带流涡区的原位观测和实验，首次量化了真光层内固氮速率在颗粒态和溶解态中的分布。原位观测结果表明：
1） 总固氮速率（颗粒态与溶解态份额中固氮速率加和）垂直剖面呈现单峰分布，在大约50m处出现极大值（图1 a-b）。
通过光强调控实验，发现光强的变化对固氮速率有显著影响，最适光强使固氮速率达到最大值（图2），呈现光过量抑制与光不足限制的现象。整体来看，固氮速率在真光层内呈现出单峰分布，光强在这个过程中起着关键作用。
图1. 夏、冬季固氮速率垂直剖面
a-b 总固氮速率；c-d 溶解态份额固氮速率占比
2）在近原位观测中，溶解态份额中的固氮速率占比3-97%，且随深度增加其占比逐渐提高（图1 c-d）。进一步实验发现，释放的DDN在不同光强条件下，出现传输路径差异。在高光区域，15-33%释放的DDN被生物再吸收，转化成颗粒态的有机氮（图3 a-c）；而在低光区域，大约70%释放的DDN通过硝化作用转化为溶解态的NOx-（图3 d-e）。这样的光控双通路是溶解态份额占比随深度增加而增加的主因。
图3. 固氮来源氮在双层结构下两种传输路径
a-c 高光区释放的DDN流向藻类再吸收；
d 低光区DDN流向NOx-储库占比
e光强驱动的硝态氮通路占比随光强下降而升高
该研究强调了固氮微生物释放的DDN在真光层中的重要性，并揭示了其在短时间尺度内的循环机制，尤其是在真光层底部，固氮过程与硝化相耦合。这一发现为剖析海洋中氮的动态循环提供了新的视角，有助于理解海洋氮循环和气候变化之间的重要反馈机制，也对评估海洋固氮在生物泵过程中如何响应于全球变化提出了新的挑战。
论文的第一作者为维多利亚老品牌vic3308博士生沈辉，通讯作者为海南大学徐敏副教授和高树基教授，共同作者还包括维多利亚老品牌vic3308万显会教授、邹文彬工程师和戴民汉教授。该项研究获得国家自然科学基金项目（92058204, 42106048 92258302 和41721005），美国Simons Foundation（675459），海南省科技人才创新项目（KJRC2023B04）等联合支持。
Hui Shen, Xianhui S. Wan, Wenbin Zou, Minhan Dai, Min N. Xu*, Shuh-Ji Kao*. Light-driven integration of diazotroph-derived nitrogen in euphotic nitrogen cycle. Nature Communications, 2024, 15: 9193.
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53067-x
