史大林，胡曉華，溫作柱，洪海征

(廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門 361102)

氮是組成地球生命體最重要的元素之一，在生命體中豐度僅次于碳.盡管單質(zhì)N2占大氣組成的78.1%，但絕大多數(shù)生物無法直接吸收利用N2，因而氮的生物可利用性往往會限制陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[1].生物固氮是指固氮生物在固氮復(fù)合酶的催化下將N2還原成結(jié)合態(tài)NH3的過程，其不僅為生態(tài)系統(tǒng)提供重要的氮來源，而且對平衡生態(tài)系統(tǒng)中由厭氧生物主導(dǎo)的脫氮過程(如反硝化和厭氧氨氧化)具有重要的意義[1].在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，生物固氮、大氣沉降、河流輸入和深層硝酸鹽混合擴(kuò)散是真光層內(nèi)“新氮”的主要來源[2-3].盡管如此，絕大部分海區(qū)真光層內(nèi)無機(jī)態(tài)氮營養(yǎng)鹽的存量往往不足以支撐浮游植物的生長；尤其是在熱帶和亞熱帶寡營養(yǎng)海區(qū)，大氣沉降、河流輸入和深層硝酸鹽混合擴(kuò)散通量的減少，使得氮成為限制初級生產(chǎn)力的主要營養(yǎng)鹽[3].因此，在寡營養(yǎng)海區(qū)固氮生物因其固氮能力形成競爭優(yōu)勢，作為主要的“新氮”輸入對支撐初級生產(chǎn)力和輸出生產(chǎn)力具有重要意義[4].

近10多年來，就固氮作用發(fā)生的場所、固氮生物的種類及其重要性，以及在海盆和全球尺度上固氮和脫氮過程是否平衡等問題，海洋學(xué)家們進(jìn)行了廣泛的思考和探索[5-8].運用分子生物學(xué)、營養(yǎng)鹽及其同位素地球化學(xué)方法和衛(wèi)星遙感等手段，大量研究擴(kuò)展了人們對固氮生物多樣性及其棲息地等的認(rèn)識[3,9-11]；同時，生理、生態(tài)和生物地球化學(xué)模型的發(fā)展建立起了海洋固氮作用生態(tài)地理分布特征的知識框架，進(jìn)一步量化了生物固氮在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要性[7,10-12].這些研究進(jìn)展加深了人類對海洋生物固氮重要性的認(rèn)知，也引發(fā)了新的思考[13].未來，了解人類活動導(dǎo)致的海洋暖化和酸化等一系列海洋環(huán)境變化將如何影響海洋生物固氮作用，及其對海洋氮循環(huán)將產(chǎn)生怎樣的效應(yīng)，對于認(rèn)識全球變化下的海洋生態(tài)系統(tǒng)和生物地球化學(xué)循環(huán)至關(guān)重要.

1 海洋固氮生物

固氮藍(lán)藻是海洋中最主要的固氮生物.早期研究認(rèn)為全球海洋生物固氮主要由非異形胞絲狀藍(lán)藻束毛藻(Trichodesmiumspp.)和含異形胞的絲狀藍(lán)藻貢獻(xiàn)；隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和運用，越來越多固氮生物被發(fā)現(xiàn)，如單細(xì)胞固氮藍(lán)藻(UCYN)[13]；此外，一些含固氮復(fù)合酶基因的浮游異養(yǎng)變形菌在海洋中也有著較高豐度和較廣分布[14]，但其固氮能力以及對全球海洋生物固氮的貢獻(xiàn)仍有待揭示.

1.1 束毛藻

在熱帶和亞熱帶寡營養(yǎng)海域，束毛藻是最常見的非異形胞絲狀固氮藍(lán)藻[15].基于對16SrRNA基因和異形胞分化基因(hetR)的分析，束毛藻被分為4支：分支Ⅰ包括T.hildebrandtii、T.thiebautii、Katagnymenepelagica和K.spiralis，分支Ⅱ包括T.aureum，分支Ⅲ包括T.erythraeum和T.havanum，分支Ⅳ包括T.contortum和T.tenue.雖然沒有異形胞，但是束毛藻可將固氮作用和光合作用固碳進(jìn)行時空上的隔離，以避免氧氣對固氮酶以及參與固氮反應(yīng)的其他蛋白的損傷：空間上，固氮作用僅在固氮胞中進(jìn)行，固氮胞內(nèi)不發(fā)生光合作用產(chǎn)氧；時間上，固氮酶的活性在光周期中間點達(dá)到最高，此時光合作用固碳和產(chǎn)氧量顯著下降，耗氧量上升[15].根據(jù)估算，束毛藻可貢獻(xiàn)高達(dá)50%的全球海洋總固氮量[16]，一直被認(rèn)為是海洋中最主要的固氮藍(lán)藻[5].束毛藻通過固氮作用獲得的氮(DDN)中10%～90%被釋放到周圍環(huán)境中[17-18]，并且迅速轉(zhuǎn)移到硅藻和細(xì)菌等其他浮游生物中[19]，從而有效支撐初級生產(chǎn)力[20].

圖1 束毛藻典型的梭狀(a)和散射狀(b)束狀體Fig.1 Typical Trichodesmium tuft (a) and puff (b) colonies

束毛藻生長和固氮的最適溫度為24～30 ℃，在風(fēng)速低、溫度適宜時常形成藻華[21]，并且藻絲能夠聚集形成梭狀和散射狀的束狀體(圖1).束狀體的形成與束毛藻的進(jìn)化分支無關(guān)[22]，而且單個束狀體能夠由不同種束毛藻組成[23].目前，束狀體形成、解離的原因和動力學(xué)過程尚不明確.早期研究推測形成束狀體是束毛藻執(zhí)行固氮作用的必要條件[24]，然而Saino等[25]發(fā)現(xiàn)游離藻絲體和束狀體都具備固氮能力.過去幾十年里，大量研究證實束狀體形態(tài)能為束毛藻帶來多方面的生存優(yōu)勢，例如：束狀體中心能夠提供相對低氧的環(huán)境，有利于固氮作用進(jìn)行[26]；束狀體形態(tài)下，束毛藻垂直遷移的效率提高，有利于獲得最佳的光照和營養(yǎng)鹽條件[27].近期，Tzubari等[28]通過實驗室培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，鐵和磷營養(yǎng)鹽限制可促進(jìn)T.erythraeumIMS101束狀體的形成，而鐵或磷營養(yǎng)鹽的添加則引起束狀體快速解散成游離藻絲，這暗示束狀體可能是束毛藻應(yīng)對鐵、磷限制的生存策略.此外，束狀體會主動捕獲氧化鐵或沙塵顆粒，并在中心打包儲存，最終實現(xiàn)有效的溶解利用[29].

除了為束毛藻自身帶來生存優(yōu)勢外，束狀體能夠為多種共生生物提供良好的生存環(huán)境，如提供具備漂浮能力的附生基底和充足的溶解態(tài)有機(jī)氮等[18,27].基于對16SrRNA基因和固氮酶還原酶基因nifH的測序分析，擬桿菌(Bacteriodes)和異養(yǎng)變形菌是北太平洋亞熱帶流渦區(qū)中束毛藻束狀體內(nèi)最主要的共生細(xì)菌.此外，束狀體中還共生著一些單細(xì)胞藍(lán)細(xì)菌和小型光合自養(yǎng)細(xì)菌[30].反之，共生生物也可影響束毛藻的固氮和固碳作用，例如：共生細(xì)菌的群體感應(yīng)效應(yīng)能提高束狀體的堿性磷酸酶活性[31]，進(jìn)而促進(jìn)磷限制下束毛藻對有機(jī)磷的吸收利用；一些共生細(xì)菌可分泌鐵載體以促進(jìn)沉降鐵顆粒的溶解，從而增加束毛藻獲取生物可利用鐵的途徑[32].

1.2 單細(xì)胞固氮生物

近20年來，海洋生物固氮研究最引人注目的發(fā)現(xiàn)之一是小粒徑UCYN同樣具有顯著的固氮作用[33].此前UCYN并不是公認(rèn)的重要海洋固氮生物，直到被發(fā)現(xiàn)廣泛分布于全球各大海區(qū)[34-37]，并在形成優(yōu)勢時固氮速率能等同于甚至超過束毛藻[38].UCYN主要分為UCYN-A、UCYN-B[34]和 UCYN-C[35-36,39]3類，其中UCYN-B和UCYN-C已經(jīng)分離出可純種培養(yǎng)的菌株，而UCYN-A至今仍未能實現(xiàn)分離培養(yǎng).

1.2.1 UCYN-A

UCYN-A廣泛分布在全球海洋，是近年來備受關(guān)注的固氮藍(lán)藻[8].UCYN-A基因組高度簡化，缺少光合系統(tǒng)中心Ⅱ(PSⅡ)的所有基因，僅保留了一些光合系統(tǒng)中心Ⅰ(PSⅠ)的關(guān)鍵基因[40].這表明UCYN-A在有光時并不會產(chǎn)生氧氣，因此不會抑制固氮酶的活性[33].UCYN-A還缺少核酮糖1,5-二磷酸羧化加氧酶(RuBisCO)、整個三羧酸循環(huán)(TCA)以及其他代謝途徑，顯示UCYN-A很可能是一類異養(yǎng)共生生物[13].運用UCYN-A特異性的16SrRNA基因熒光原位雜交(FISH)探針，Krupke等[41]和Thompson等[42]證實了宿主定鞭藻類(Haptophyta)的存在，其基因序列與鈣化藻Braarudosphaerabigelowii高度相似.運用15N2穩(wěn)定同位素標(biāo)記結(jié)合高分辨率納米尺度二次離子質(zhì)譜(NanoSIMS)技術(shù)，Thompson等[42]和Krupke等[43]揭示了UCYN-A與其宿主細(xì)胞之間碳和氮交換的過程，即UCYN-A固氮提供氮源，宿主細(xì)胞固碳提供碳源.相較于束毛藻喜好溫暖且寡營養(yǎng)的環(huán)境，UCYN-A能在溫度較低且富含溶解態(tài)無機(jī)氮的環(huán)境中生長[6,44]，并仍然能夠進(jìn)行固氮作用[9]，例如在高緯度丹麥海峽[45]和北極西部區(qū)[46-47].這些發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了以往普遍認(rèn)為全球海洋固氮作用僅發(fā)生在熱帶和亞熱帶寡營養(yǎng)海區(qū)的觀點.

1.2.2 UCYN-B

UCYN-B的基因組較UCYN-A完整，含有PSⅡ和RuBisCO中的關(guān)鍵基因.為了避免光合作用所產(chǎn)生的氧氣抑制固氮酶，UCYN-B在時間上將產(chǎn)氧過程和固氮過程分離，即白天進(jìn)行光合作用，夜晚進(jìn)行固氮作用[48].UCYN-B的適宜生長溫度在22～36 ℃之間，且其nifH基因豐度與溫度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[38,44].迄今為止，已有多株UCYN-B被成功分離培養(yǎng)，且都屬于瓦氏鱷球藻(Crocosphaerawatsonii)，主要分為大細(xì)胞型(直徑≥4 μm)和小細(xì)胞型(直徑<4 μm)兩個表型.大細(xì)胞型相比小細(xì)胞型具有更加豐富的基因組信息，適當(dāng)?shù)幕蛉哂嗫赡軙岣叽蠹?xì)胞型在鐵、磷限制環(huán)境中的適應(yīng)能力[49]；并且大細(xì)胞型能分泌更多的胞外多糖[50]，有助于海雪的形成，實現(xiàn)有機(jī)碳輸出[51].此外，兩種表型在生長最適溫度、單位細(xì)胞固氮速率以及光合作用效率方面都存在一定差異[52].

1.2.3 UCYN-C

UCYN-C可能是營游離生活的UCYN[36]，在熱帶西北大西洋首次被鑒定并報道[39].Needoba等[53]證實過去在德克薩斯海灣分離出來的UCYNCyanothecespp.ATCC51142屬于UCYN-C，Taniuchi等[54]則在黑潮上游分離培養(yǎng)了UCYN-CTW3.盡管如此，目前對UCYN-C的分布、多樣性以及固氮過程等生理特征的認(rèn)識還非常有限.與UCYN-B相似，UCYN-C也主要在夜晚進(jìn)行固氮[53-54]，且更加偏好溫暖的水體[37].Bonnet等[19]通過中尺度圍隔實驗發(fā)現(xiàn)：UCYN-C形成藻華時引入的DDN有16%被釋放到溶解態(tài)氮庫中，21%轉(zhuǎn)移到非固氮浮游生物中；此外，UCYN-C能夠形成大小為100～500 μm的聚集體，水體中約10%的UCYN-C發(fā)生沉降，直接貢獻(xiàn)約22.4%的總有機(jī)碳輸出通量.

1.3 硅藻-固氮藍(lán)藻共生體(DDAs)

內(nèi)胞植生藻(Richeliaintracellularis)和眉藻(Calothrixrhizosoleniae)是一類含異形胞的絲狀固氮藍(lán)藻，與一些鏈狀硅藻形成共生關(guān)系，被定義為DDAs.根據(jù)nifH基因進(jìn)化分析，DDAs主要可分為3個進(jìn)化分支：植生藻和根管藻(Rhizosoleniaclevei)共生、植生藻(Richelia)和半管藻(Hemiaulushauckii)共生以及眉藻(Calothrix)和角毛藻(Chaetocerosspp.)共生[55].其中，內(nèi)胞植生藻附生在根管藻和半管藻的硅質(zhì)外殼和細(xì)胞膜之間，而眉藻則主要附生在角毛藻的硅質(zhì)殼外部.運用NanoSIMS技術(shù)，F(xiàn)oster 等[50]發(fā)現(xiàn)：植生藻會固定超過自身生長所需81%～744%的氮，其中的97.3%被快速轉(zhuǎn)移到其宿主硅藻中，表明在DDAs的共生關(guān)系中，固氮藍(lán)藻可為宿主硅藻提供可利用的氮源；此外，共生形態(tài)植生藻和眉藻的固氮速率比游離形態(tài)高171～420倍，顯示了宿主硅藻對固氮藍(lán)藻生長和固氮的顯著影響.

早期，DDAs和束毛藻被認(rèn)為是海洋中主要的固氮藍(lán)藻.然而，十分有限的現(xiàn)場觀測僅在北太平洋夏威夷島嶼附近的長時間序列站位ALOHA，以及一些大型河流的沖淡水區(qū)域，發(fā)現(xiàn)了較高豐度的DDAs或其藻華[57-59].與束毛藻不同，DDAs固定的氮不能迅速釋放并傳輸?shù)绞澄锞W(wǎng)中[19]，但DDAs中共生硅藻硅質(zhì)外殼的高保存度和高沉降速率特性使得DDAs能夠快速沉降輸出，表現(xiàn)出較高的生物泵效率[57].ALOHA站位的長時間觀測結(jié)果顯示，夏季有機(jī)顆粒物輸出通量峰值的出現(xiàn)與DDAs藻華爆發(fā)高度相關(guān)[60]，由此可見，在寡營養(yǎng)開闊大洋DDAs對大氣CO2的埋藏可能起著重要作用.

1.4 非藍(lán)藻異養(yǎng)變形菌

在ALOHA站位，除UCYN外，在nifH基因水平和轉(zhuǎn)錄水平上發(fā)現(xiàn)的還有非藍(lán)藻固氮生物——異養(yǎng)變形菌[34].異養(yǎng)變形菌在陸地生態(tài)系統(tǒng)中是常見的固氮生物，棲息在富含有機(jī)物的土壤中或與固碳植物共生.在海洋生態(tài)系統(tǒng)中，異養(yǎng)變形菌同樣廣泛分布于全球各大海區(qū)并具有極高的生物多樣性[33,37,46,61].在氮限制條件下，低濃度的溶解有機(jī)物和過飽和的溶解氧很可能會抑制異養(yǎng)變形菌的固氮酶活性.有研究認(rèn)為固氮異養(yǎng)變形菌可能附著在有機(jī)質(zhì)豐富的懸浮顆粒中，由于懸浮顆粒獨特的物理結(jié)構(gòu)能夠有效限制物理擴(kuò)散過程，顆粒周圍O2濃度降低并形成區(qū)別于水體的微環(huán)境，從而有利于固氮作用發(fā)生[62].Gamma A(γ-24774A11)是目前研究最為廣泛的固氮異養(yǎng)變形菌，主要生活在溫暖、寡營養(yǎng)的表層海水，其nifH基因的豐度和活性隨深度增加而下降，表現(xiàn)出與固氮藍(lán)藻類似的生態(tài)位特征[63].盡管如此，目前異養(yǎng)變形菌的固氮能力尚存在爭議.在熱帶東南太平洋，Turk-Kubo等[64]發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)變形菌并不能貢獻(xiàn)過去在該海區(qū)報道的固氮速率，其對全球海洋固氮通量的貢獻(xiàn)仍然是有待解決的科學(xué)問題.

2 海洋生物固氮

圖2 海洋固氮速率、固氮生物種類及營養(yǎng)鹽限制特征的全球分布Fig.2 Global distribution of nitrogen fixation rates,diazotrophic species and nutrient limitation characteristics in the ocean

長久以來，海洋固氮作用和反硝化作用通量的平衡關(guān)系被認(rèn)為是影響海洋氮儲量和生物泵效率，并最終成為影響大氣CO2和地球氣候的決定因素[65-67].然而，直到便捷的固氮速率測量方法出現(xiàn)[68]，在相當(dāng)長的一段時間里海洋生物固氮很少受到關(guān)注.脫氮過程則一直是海洋學(xué)研究的熱點，尤其是在近岸沉積物和主要的缺氧區(qū)(ODZs)[69].隨著海洋固氮研究的發(fā)展，模型模擬和現(xiàn)場觀測的全球海洋固氮通量從<100 Tg/a到>200 Tg/a不等，其中現(xiàn)場觀測平均通量為(137.0±9.2) Tg/a[70]，小于模型計算的反硝化通量120～240 Tg/a[71].該結(jié)果暗示全球海洋氮收支處于不平衡狀態(tài).然而，迄今為止海洋生物固氮的觀測仍非常有限，測量方法不統(tǒng)一，且大部分集中在熱帶和亞熱帶寡營養(yǎng)海區(qū)，時空變異性大，覆蓋不足，故外推到全球尺度存在較大的不確定性.

2.1 主要技術(shù)手段

固氮速率的測定以及固氮生物群落組成和活性的分析，是海洋生物固氮研究的主要技術(shù)手段.乙炔還原法和15N2氣體穩(wěn)定同位素示蹤法是海洋固氮速率測定的常用方法.其中，乙炔還原法并不直接測定NH3的產(chǎn)生，而是間接測定乙烯的產(chǎn)生并將其換算成固氮量[72].20世紀(jì)末，同位素比值質(zhì)譜技術(shù)突飛猛進(jìn)，極大提升了15N2氣體穩(wěn)定同位素示蹤法的靈敏度和可操作性，因而成為寡營養(yǎng)海區(qū)固氮速率測定的主要方法之一[73].需要關(guān)注的是，近期的研究表明15N2氣體在短時間內(nèi)無法充分溶解于海水達(dá)到水氣平衡，這使得直接充入15N2氣體的測定方法可能會低估實際的固氮速率，因此建議采用注射15N2氣體飽和水的方法[74].此外，以往研究中所使用的15N2氣體可能存在15NH4+或15NOx的污染，從而導(dǎo)致對固氮速率的高估[75].由此可見，實驗方法和條件的差異給統(tǒng)一校正現(xiàn)場觀測的固氮速率造成了相當(dāng)大的困難與挑戰(zhàn)[74,76]，極大地影響了對全球海洋固氮通量的準(zhǔn)確估算.因此，建立一套統(tǒng)一且準(zhǔn)確的固氮速率測定和計算方法具有至關(guān)重要的意義[77].

固氮生物群落結(jié)構(gòu)和活性的測定通常分別針對nifH基因的DNA和RNA進(jìn)行定量PCR[78-79].此外，針對固氮生物16SrRNA基因的分析亦可以獲得原位固氮生物的群落組成[80].近年來，隨著質(zhì)譜技術(shù)的迅猛發(fā)展，可通過NanoSIMS得到單細(xì)胞的固氮速率，進(jìn)而研究DDN的釋放和傳輸[81].

2.2 速率的時空分布特征

從空間分布上看(圖2)，大西洋是生物固氮研究最為集中的海區(qū)，水柱積分固氮速率從<0.1 μmol/(m2·d)到> 10 000 μmol/(m2·d)不等[82-83].如果忽略固氮速率測定方法的差異，那么整體上赤道大西洋是生物固氮的熱點區(qū)域，固氮速率從赤道向兩極方向顯著下降.該分布特征與一些全球模型的分析結(jié)果相符[12,84-85].此外，模型和現(xiàn)場實測的結(jié)果均顯示南、北大西洋的固氮速率相當(dāng)[12,84-85]，但兩個海區(qū)固氮生物的類群可能截然不同：束毛藻通常主導(dǎo)北大西洋的固氮生物類群[37,82-83]，而UCYN則是南大西洋的優(yōu)勢固氮生物[20].

相較于大西洋，太平洋的生物固氮觀測相對有限，且多數(shù)集中在ALOHA站位，其平均固氮速率為183 μmol/(m2·d)[86].基于氮、磷營養(yǎng)鹽濃度的模型結(jié)果表明，太平洋東邊界的ODZs應(yīng)該是固氮作用發(fā)生的熱點區(qū)域[87-88].Deutsch等[88]認(rèn)為ODZs脫氮過程導(dǎo)致的磷過剩能夠刺激固氮作用，這為一定時空尺度內(nèi)氮輸入和輸出的耦合提供了理論基礎(chǔ);然而，該模型忽略了鐵在該區(qū)域的重要性，實際測量的固氮速率<23 μmol/(m2·d)，與模型結(jié)果大不相符[89].相較于東太平洋，西太平洋可能是固氮作用發(fā)生的熱點區(qū)域.例如，束毛藻是熱帶西南太平洋新喀里多尼亞海域最主要的固氮生物，平均固氮速率高達(dá)570 μmol/(m2·d)[85]，該速率遠(yuǎn)高于模型預(yù)測的結(jié)果(150～200 μmol/(m2·d)[12])，落在全球海洋固氮速率數(shù)據(jù)庫的高值范圍內(nèi)(100～1 000 μmol/(m2·d)[70]).此外，在北太平洋西邊界流黑潮區(qū)域時常發(fā)生束毛藻藻華，水體平均固氮速率約為200 μmol/(m2·d)[12].

印度洋的固氮作用較少受到關(guān)注.多數(shù)模型研究表明整個印度洋海區(qū)表現(xiàn)出顯著的固氮作用[12,70]，然而為數(shù)不多的觀測顯示該海區(qū)的固氮速率并不高，為6.27～47.1 μmol/(m2·d)，異養(yǎng)變形菌可能是該海區(qū)主要固氮貢獻(xiàn)者[90].

從時間尺度上看，固氮速率從冬季到夏季總體上呈現(xiàn)升高的趨勢[12,60,91].例如，在北太平洋的ALOHA站位，2005—2012年間深度小于125 m的水層中固氮速率為16～347 μmol/(m2·d)，在5—10月當(dāng)表層海水升溫且分層時，固氮速率通常有明顯升高的趨勢，達(dá)(263±147) μmol/(m2·d)[92]，同時nifH基因的豐度亦呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律[38].除了溫度外，固氮速率呈夏高冬低的特征，還可能與中尺度物理過程[93]、不同水團(tuán)的轉(zhuǎn)移和混合[94]以及冬季海水混合產(chǎn)生的磷殘留[95]相關(guān).固氮速率和nifH基因的變化反映出固氮生物的分布會隨時間變化[79].Cheung等[96]報道北太平洋主要固氮生物UCYN-A1、束毛藻和Gamma A變形菌的豐度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，豐度高值分別出現(xiàn)在春-秋、夏-秋和春季.

2.3 新棲息地

固氮作用往往被認(rèn)為主要發(fā)生在溫暖的熱帶-亞熱帶寡營養(yǎng)海區(qū)[84-85].近20年來，越來越多研究表明在低溫、高營養(yǎng)鹽的水體中也存在顯著的固氮作用[6,44]，例如：在亞馬遜河和湄公河等河流沖淡水區(qū)域，DDAs常形成優(yōu)勢、主導(dǎo)固氮作用[57-58,83]，從而對輸出生產(chǎn)力有顯著貢獻(xiàn)[57].此外，一些研究發(fā)現(xiàn)近岸區(qū)域的固氮速率能夠等同甚至超過同緯度寡營養(yǎng)海區(qū)[97-99].Tang等[10]結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)計算得到全球近岸固氮通量為16.7 Tg/a，顯示了近岸水體固氮作用對全球海洋氮通量的貢獻(xiàn).近期，Shiozaki等[46-47]在北冰洋測得水體固氮速率在4.11～69.6 μmol/(m2·d)之間，UCYN-A是該海區(qū)主要的固氮藍(lán)藻.Harding等[9]運用NanoSIMS在單細(xì)胞水平上證實北冰洋中的UCYN-A能夠發(fā)揮固氮作用，并且其固定的氮能夠快速轉(zhuǎn)移到宿主細(xì)胞中.此外，在無光區(qū)也存在固氮作用，但速率通常小于1 nmol/(L·d)；倘若該速率是準(zhǔn)確的，考慮到無光區(qū)龐大的體積，其固氮通量甚至有可能超過真光層[99-101].上述新發(fā)現(xiàn)拓展了對海洋生物固氮的傳統(tǒng)認(rèn)知，提升了對海洋氮收支平衡的理解，并且表明未來需要加強(qiáng)大洋尺度的固氮觀測，尤其是對傳統(tǒng)觀點認(rèn)為不適合固氮作用發(fā)生的近岸和極地海區(qū)的固氮速率進(jìn)行測量.

3 影響固氮作用的環(huán)境因子

海洋生態(tài)系統(tǒng)中，物理、化學(xué)等諸多環(huán)境因子均會影響固氮生物的生長、活性和分布，其中大部分環(huán)境因子與能量和營養(yǎng)鹽供給相關(guān)[2,88].

3.1 光照輻射

與硝酸鹽和銨鹽等無機(jī)氮的吸收利用相比，固氮作用需要額外的細(xì)胞能量還原N2分子.光照作為光合自養(yǎng)固氮生物的能量來源，是調(diào)控固氮作用的重要環(huán)境因子[102]，因此光合自養(yǎng)固氮生物的固氮酶活性與光合作用息息相關(guān)[102-103].對全球海洋固氮速率數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，光照輻射作為一個環(huán)境因子，對全球海洋固氮速率分布特征的解析度最高[103]，體現(xiàn)了其在調(diào)控全球海洋固氮作用分布中的重要性.

野外現(xiàn)場和實驗室的研究結(jié)果表明，束毛藻的生長和固氮酶活性均受到光照輻射的調(diào)控[104].在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)(光量子通量密度<160 μmol/(m2·s))，實驗室的束毛藻固氮速率隨著光照強(qiáng)度的增加而升高[105]，其生長的飽和光強(qiáng)在80～100 μmol/(m2·s)之間[26].相比之下，天然水體中束毛藻適應(yīng)于相對高光的環(huán)境，其飽和光強(qiáng)在300～400 μmol/(m2·s)之間[104].然而，過高的光強(qiáng)可能會對束毛藻的生長產(chǎn)生光抑制[106]，因此細(xì)胞需要通過提高光呼吸和米勒反應(yīng)使固氮酶免受光合產(chǎn)氧的損害[107].在這種情況下，束毛藻可能會選擇向下遷移到相對適宜的水層，這也可能是天然水體中束毛藻的豐度和固氮速率最大值出現(xiàn)在15～40 m水深處的原因之一[21].

3.2 溫 度

以往普遍認(rèn)為固氮作用主要發(fā)生在溫暖的熱帶和亞熱帶海區(qū)，且固氮速率和海表溫度呈顯著正相關(guān)[108].然而，溫度并非固氮酶活性的內(nèi)在控制因素，在極限溫度下(例如溫度降至0 ℃)固氮生物仍然具有固氮能力[109].每一種固氮生物都有各自最適生長的溫度，因此溫度會顯著影響不同固氮類群的全球分布特征，例如：在馬尾藻海，當(dāng)溫度低于20 ℃時，束毛藻豐度顯著減少；而當(dāng)溫度高于25 ℃時，束毛藻則能形成藻華[21].在束毛藻的最適生長溫度范圍內(nèi)，其豐度與水溫呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[91].與束毛藻相似，馬尾藻海和ALOHA站位附近UCYN-BnifH基因的豐度也與溫度顯著正相關(guān)，當(dāng)溫度為29 ℃時其豐度達(dá)到最高[38,44].相比之下，UCYN-A則偏好溫度更低的環(huán)境，在馬尾藻海其nifH基因豐度在24 ℃時達(dá)到最高[44].近期，模型結(jié)果顯示溫度是調(diào)控高緯度海區(qū)固氮作用的主要環(huán)境因子[12]，在溫度低于20 ℃的海區(qū)，固氮作用鮮有發(fā)生[70].然而，該結(jié)果與北冰洋實測結(jié)果不符，UCYN-A被發(fā)現(xiàn)能在極地環(huán)境(溫度低于5 ℃)中生存，且存在顯著的固氮速率[9,46].該發(fā)現(xiàn)表明UCYN-A具有更加廣泛的全球分布特征，其對全球海洋固氮作用的貢獻(xiàn)不可忽視[8].

3.3 營養(yǎng)鹽

固氮生物光合系統(tǒng)中心和固氮酶的合成都需要大量鐵，其對鐵的需求是單純以NH3為氮源時需鐵量的5倍[110]；磷則是細(xì)胞中能量物質(zhì)(三磷酸腺苷和還原型輔酶Ⅱ)、遺傳物質(zhì)(DNA和RNA)以及細(xì)胞膜成分(磷脂)等生物大分子的重要組成元素.因此，鐵和磷是調(diào)控?zé)釒Ш蛠啛釒Ш^(qū)固氮作用分布的重要營養(yǎng)鹽[20]，而寡營養(yǎng)海區(qū)上層水體中低濃度的溶解態(tài)鐵(dFe)和無機(jī)磷(DIP)通常會限制固氮生物的生長和活性[111-112].不同的固氮生物采用不同的策略應(yīng)對鐵、磷營養(yǎng)鹽限制[113-115]，例如：束毛藻可通過調(diào)整光合電子傳遞、利用多種形態(tài)的鐵和儲鐵蛋白以應(yīng)對鐵限制[116]；鱷球藻在光周期將有限的鐵投入到PSⅠ中，在暗周期則重新利用這部分鐵進(jìn)行固氮，從而提高在鐵限制下細(xì)胞的鐵利用效率[114].在磷限制條件下，束毛藻能夠用非磷脂取代磷脂作為膜脂結(jié)構(gòu)以減少對磷的需求，并可利用磷酸脂[115]；鱷球藻則通過表達(dá)更多高親和力的磷轉(zhuǎn)運體以應(yīng)對磷的缺乏[113].

開闊大洋中，鐵主要通過陸源沙塵沉降和深層水混合擴(kuò)散進(jìn)入真光層[20]，磷則主要通過物理混合擴(kuò)散作用和側(cè)向傳輸過程進(jìn)入真光層[117].鐵、磷的供給和生物可利用性以及固氮生物對鐵和磷營養(yǎng)鹽的競爭能力，決定了全球海洋固氮生物的生物地理分布特征、活性、群落組成以及生態(tài)地位.

普遍認(rèn)為磷是中緯度北大西洋固氮作用的主要限制性營養(yǎng)鹽.來自薩赫勒和撒哈拉的沙塵沉降使得表層海水中dFe濃度達(dá)到0.2～1.2 nmol/L[111-112,118]，刺激該海區(qū)束毛藻主導(dǎo)的固氮作用(速率高達(dá)100～1 000 μmol/(m2·d)[70,111,116])，從而消耗DIP使得其在表層海水中的濃度低至1 nmol/L[119].與有機(jī)磷吸收利用相關(guān)的堿性磷酸酶基因phoX和phoA的表達(dá)上調(diào)，表明該海區(qū)束毛藻的生長受到磷限制[120].相比之下，南大西洋固氮作用營養(yǎng)鹽限制特征仍然存在爭議.沙塵沉降的減少導(dǎo)致表層dFe濃度顯著下降(僅為0.1～0.4 nmol/L)，固氮速率降至20 μmol/(m2·d)以下，束毛藻豐度顯著減少而單細(xì)胞固氮生物形成優(yōu)勢[111,116];與此同時，表層DIP濃度卻比北大西洋高1～2個數(shù)量級[111,116,119].這些特征均暗示南大西洋的固氮作用可能受到鐵限制.

北太平洋的固氮研究多集中在ALOHA站位[60].Grabowski等[121]通過營養(yǎng)鹽受控培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，鐵的加入能夠刺激ALOHA站位的固氮作用.Rouco等[122]通過對比發(fā)現(xiàn)ALOHA站位的束毛藻較北大西洋的束毛藻表達(dá)更多響應(yīng)鐵限制的基因，表明鐵是ALOHA站位固氮作用的主要限制因子[112].相比之下，北太平洋其他區(qū)域關(guān)于固氮作用營養(yǎng)鹽限制特征的研究并不多.從營養(yǎng)鹽分布上看，表層dFe和DIP濃度分布均表現(xiàn)出自西向東的變化趨勢：dFe濃度自西向東遞減，DIP濃度則自西向東遞增[119,123].這暗示著北太平洋的固氮作用及其營養(yǎng)鹽限制特征可能存在自西向東的差異.例如，西北太平洋亞熱帶流渦區(qū)的沙塵沉降通量顯著高于其以東和以南的區(qū)域，由此帶來的鐵輸入可能刺激該海區(qū)固氮生物的固氮作用[124-125].Shiozaki等[124]運用15N2氣體法測得該海區(qū)的積分固氮速率為184～349 μmol/(m2·d)，該數(shù)值落在全球固氮速率數(shù)據(jù)庫的高值范圍內(nèi)(100～1 000 μmol/(m2·d)[70])，且UCYN可能是該海區(qū)生物固氮的主要貢獻(xiàn)者[125].北太平洋西北部的固氮速率為0.3～13.6 nmol/(L·d)，顯著高于北太平洋西部和中部(0.17～3.62 nmol/(L·d))，且固氮生物群落中UCYN-A的豐度較高[126].沙塵帶來的鐵使得該海區(qū)表層DIP濃度低至3 nmol/L，最終形成生物固氮的磷限制[127].

南太平洋的沙塵沉降通量進(jìn)一步下降[112]，使得該海區(qū)固氮生物更有可能受到鐵限制.然而，近年來在西南太平洋一些島嶼附近時常發(fā)現(xiàn)束毛藻主導(dǎo)的高固氮作用[85]，由此推測“島嶼效應(yīng)”引入的陸源營養(yǎng)鹽(尤其是鐵)可能替代沙塵沉降，成為調(diào)控該區(qū)域固氮作用的重要因素[128].在中心南太平洋和東南太平洋，盡管表層海水中DIP濃度可高達(dá)300 nmol/L以上[119]，但是dFe濃度僅為0.1～0.3 nmol/L[128]，因此固氮速率較低[128].與東北太平洋相似，鐵可能是該海區(qū)以UCYN-A和異養(yǎng)變形菌為主的固氮生物的限制營養(yǎng)鹽[85].

印度洋的固氮觀測并不多，其北部的阿拉伯海海區(qū)大氣沙塵沉降高(表層dFe濃度高達(dá)1 nmol/L[112,129])，再加上磷相對充足(約250 nmol/L[90])，時常發(fā)生大范圍束毛藻藻華[130].而在印度洋中南部海區(qū)，表層dFe濃度僅為0.05～0.13 nmol/L[90]，顯著限制了該海區(qū)的固氮作用(速率小于20 μmol/(m2·d)).

此外，在一些海區(qū)固氮作用會受到鐵和磷的共同限制[131-132].該現(xiàn)象可能反映出水體中鐵和磷營養(yǎng)鹽濃度同時下降到限制水平，或者一種固氮生物受到其中一種營養(yǎng)鹽的限制，而另一種固氮生物則受到不同營養(yǎng)鹽的限制[133].例如在北赤道大西洋，盡管整體上沙塵沉降比較充足[20]，但是現(xiàn)場鐵和磷營養(yǎng)鹽添加培養(yǎng)結(jié)果表明，在特定時間和空間尺度上固氮作用仍然有可能受到鐵和磷的共同限制[134-135].

全球大洋的固氮速率及主要限制性營養(yǎng)鹽見表1.

表1 全球大洋固氮速率及主要限制性營養(yǎng)鹽Tab.1 The nitrogen fixation rate of the global oceans and the main limiting nutrient

3.4 其他因子

除了受到光照、溫度和營養(yǎng)鹽等上行調(diào)控外，浮游動物攝食等下行調(diào)控同樣會顯著影響海洋生物固氮的分布[138].盡管固氮生物在浮游植物群落中的占比較小(<10%)，但近期在西南太平洋開展的圍隔實驗發(fā)現(xiàn)，橈足類會捕食所有種類的固氮生物，且28%的浮游動物氮生物量來源于固氮生物[139].通用地球系統(tǒng)模型(CESM)結(jié)果顯示，高固氮速率多發(fā)生在低攝食壓力的氮限制區(qū)域；而在印度洋海盆、西太平洋和近岸上升流等區(qū)域，下行攝食壓力使得固氮生物量保持在較低水平[139].

海洋物理過程也是影響全球海洋固氮作用分布的重要因子，然而直到近年來物理過程對固氮作用的影響才開始受到關(guān)注.例如：有研究發(fā)現(xiàn)束毛藻的豐度與反氣旋渦有關(guān)[140].在ALOHA站位，超過3年的定點觀測結(jié)果顯示高固氮速率多伴隨著反氣旋渦的發(fā)生[38].此外，束毛藻由于極具漂浮性的特征，很容易被海流帶向其他海區(qū)[141].在南海東北部的研究結(jié)果顯示，西邊界流黑潮入侵會顯著影響南海北部固氮作用的空間格局，且受黑潮影響區(qū)域的固氮速率可能與黑潮入侵南海的強(qiáng)度有關(guān)[142]，然而其背后的機(jī)制仍有待揭示.

4 全球變化對海洋生物固氮的影響

人類活動引起的環(huán)境變化正在給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來諸多挑戰(zhàn)，包括大氣CO2濃度上升引起的海洋酸化和暖化[143]、光照強(qiáng)度和紫外(UV)輻射的增強(qiáng)[144]、大氣沙塵沉降的增加[20]以及缺氧脫氮區(qū)域的擴(kuò)張[145].這些海洋物理、化學(xué)性質(zhì)的改變，最終可能顯著影響海洋生物固氮及其相關(guān)的生物地球化學(xué)循環(huán)過程.迄今為止，全球變化對海洋生物固氮影響的研究大多聚焦于海洋酸化效應(yīng)，而關(guān)于海洋暖化和光照條件改變等其他環(huán)境因子影響的研究則相對較少[105].將來的研究需要在進(jìn)一步提升對固氮生物響應(yīng)海洋酸化的認(rèn)知基礎(chǔ)上，系統(tǒng)深入地開展全球變化中單環(huán)境因子以及多因子耦合對海洋生物固氮影響的研究.

4.1 海洋暖化的影響

海洋暖化除了表現(xiàn)為海水溫度上升外，往往會進(jìn)一步引起混合層變淺和水體層化加劇，阻礙深層氮、磷等營養(yǎng)鹽向真光層的輸送，并同時增加混合層中浮游生物暴露在強(qiáng)光和強(qiáng)UV輻射的風(fēng)險[145-146].單獨的升溫可能會使束毛藻和鱷球藻等固氮生物獲益[147]，再加上水體層化加劇以及深層營養(yǎng)鹽輸入通量的減弱[145]，海洋暖化可能更有利于海洋生物固氮作用.據(jù)預(yù)測，海表溫度上升將使束毛藻和鱷球藻的生境向極地區(qū)域擴(kuò)張，而低緯度海區(qū)的增溫可能超出束毛藻的耐受范圍[148]；加之光強(qiáng)和UV輻射增加，有可能對束毛藻產(chǎn)生不利影響[146].Cai等[149]發(fā)現(xiàn)無論是長期還是短期的UV輻射暴露均會對束毛藻的生長和固氮產(chǎn)生抑制作用.有模型預(yù)測到21世紀(jì)末，由束毛藻貢獻(xiàn)的全球海洋固氮通量將減少[148].結(jié)合ODZs的擴(kuò)大、水體脫氮作用的增強(qiáng)以及固氮作用的滯后性，海洋暖化將導(dǎo)致海洋中固定氮的凈流失[7].上述研究結(jié)果表明，目前海洋暖化及其派生的其他環(huán)境效應(yīng)將影響固氮生物的生理特征和生態(tài)分布，但相關(guān)機(jī)制仍有待進(jìn)一步的實驗室和現(xiàn)場研究予以系統(tǒng)闡明.

4.2 海洋酸化的影響

海洋酸化對束毛藻等固氮生物的影響是近10年來海洋生物固氮研究的熱點和焦點之一.圍繞這一前沿問題，國際上開展了大量的室內(nèi)酸化受控培養(yǎng)研究.盡管固氮生物對海洋酸化的響應(yīng)存在種間差異，但大多數(shù)實驗結(jié)果顯示CO2濃度上升可促進(jìn)束毛藻和鱷球藻的生長和固氮[150-152].究其原因，海水CO2濃度上升導(dǎo)致固氮生物的CO2濃縮機(jī)制(CCM)下調(diào)，由此節(jié)省的能量可被用于固氮作用等其他細(xì)胞過程[153].然而，少有研究定量評估因CCM下調(diào)所能節(jié)省的細(xì)胞能量及其對生長和固氮的影響[154].此外，Hong等[155]近期的研究發(fā)現(xiàn)，以往培養(yǎng)實驗所使用的人工海水培養(yǎng)基(YBCⅡ)可能存在NH4+和銅等金屬的污染，從而影響束毛藻的生理狀態(tài)及其對酸化的響應(yīng)；通過使用天然海水培養(yǎng)基(Aquil-tricho)發(fā)現(xiàn)，海水pH降低導(dǎo)致束毛藻需要投入額外的物質(zhì)和能量以維持細(xì)胞內(nèi)的pH穩(wěn)態(tài)，并且海水pH降低的負(fù)效應(yīng)超過CO2濃度升高的正效應(yīng)，因此海洋酸化總體上抑制束毛藻的生長和固氮.在此基礎(chǔ)上，Luo等[154]通過建立細(xì)胞模型揭示了海洋酸化下束毛藻CCM下調(diào)所能節(jié)省的能量非常有限，并進(jìn)一步預(yù)測到21世紀(jì)末，海洋酸化將導(dǎo)致全球海洋束毛藻的固氮潛能下降約27%.迄今為止，已報道的室內(nèi)酸化培養(yǎng)實驗都是以絲狀的束毛藻作為研究對象[151,155-156]，而酸化對形成不同形態(tài)束狀體的束毛藻的影響尚有待揭示.相較于室內(nèi)酸化受控培養(yǎng)實驗，目前海洋酸化對海洋生物固氮的現(xiàn)場研究非常有限，并且尚無一致的結(jié)論[157-158].固氮生物群落結(jié)構(gòu)的差異可能是造成不同海區(qū)海洋酸化效應(yīng)不一致的原因之一.

在全球變化背景下，海洋固氮生物不僅受到單一環(huán)境因子改變的影響，而是受到多環(huán)境因子改變的綜合作用.因此，固氮生物在面臨海洋酸化威脅的同時，也將經(jīng)歷升溫、光照脅迫增強(qiáng)以及營養(yǎng)鹽條件變化等的影響.這些環(huán)境因子的改變可能影響固氮生物對海洋酸化的響應(yīng).實驗室純種培養(yǎng)結(jié)果顯示，鐵限制會加劇海洋酸化對束毛藻生長和固氮的負(fù)效應(yīng)[159]，而磷限制如何調(diào)控海洋酸化對束毛藻生長和固氮的影響目前尚無定論[151,156].相比之下，其他環(huán)境因子例如光照脅迫增強(qiáng)、升溫與海洋酸化的耦合研究相對較少[105,151]，相關(guān)的現(xiàn)場研究幾乎空白.未來需要加強(qiáng)海洋現(xiàn)場實際場景下的機(jī)制研究，以系統(tǒng)解析海洋環(huán)境變化對生物固氮的生態(tài)效應(yīng).

5 展 望

過去數(shù)十年的研究工作極大地加深了對海洋生物固氮的認(rèn)識，使人們更加了解海洋固氮生物的多樣性以及不同固氮生物在海洋氮循環(huán)中的重要性.與此同時，研究者們也發(fā)展出更準(zhǔn)確的測量方法和數(shù)值模型以評估海洋固氮速率、固氮生物的生長以及分布特征等.然而，海洋生物固氮研究依舊存在一些亟待闡釋的重大科學(xué)問題：1) 全球海洋氮收支是否平衡；2) 哪種固氮生物對海洋結(jié)合態(tài)氮的貢獻(xiàn)最大；3) 全球變化背景下全球海洋固氮格局會發(fā)生怎樣的變化.未來，結(jié)合新的微生物學(xué)、組學(xué)、同位素化學(xué)方法以及數(shù)值模型等研究手段，人們對海洋生物固氮及其重要性的認(rèn)知將迎來新的提升.