鲑鱼的秘密超级食物比一粒盐还小

微小的硅藻和它们的细菌伙伴充当着大自然的营养工厂，为加利福尼亚鳗鱼河中的昆虫和鲑鱼提供营养。他们的无污染过程可能会激发可持续农业和能源方面的突破。

　　

在加州北部，鲑鲑鱼不仅仅是鱼类——它们是部落传统的基石，是旅游业的驱动力，也是健康河流的标志。因此，当NAU和加州大学伯克利分校的科学家们沿着该地区的鳗鱼河工作时，他们发现了一个微型的营养工厂，可以保持河流的健康，使鲑鲑鱼茁壮成长，这可能并不令人惊讶。

科学家们在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表的新研究揭示了藻类和细菌之间的伙伴关系如何像大自然的清洁氮机器一样工作，将空气中的氮转化为食物，为河流生态系统提供燃料，而无需施肥或污染。这个隐藏的营养工厂增加了水生昆虫的数量，小鲑鲑鱼依靠这些昆虫生长和生存。

科学家们发现的核心是一种硅藻——一种玻璃状外壳中的单细胞水生植物——Epithemia。这种金棕色的硅藻，比一粒食盐还小，大约和人的头发一样宽，在保持河流的生产力方面发挥着重要作用。在每个硅藻体内，生活着被称为重氮质体的细菌伴侣，重氮质体是一种微小的固氮隔间，可以将空气转化为植物的食物。硅藻Epithemia捕获阳光并制造糖，重氮质体利用这些糖将大气中的氮转化为营养物质。作为回报，重氮质体提供氮，帮助硅藻继续进行光合作用。

北亚利桑那大学生物学教授、该研究的主要作者简·马克斯（Jane Marks）说：“这是大自然版本的清洁营养管道，从阳光到鱼类，没有产生有害藻华的径流。”

马克斯说，到了夏末，沿着鳗鱼河（Eel River），一缕缕绿藻Cladophora布满了锈红色的Epithemia。在这个阶段，藻类-细菌组合提供了进入河流食物网的90%的新氮，为昆虫食草动物提供了所需的燃料，并自下而上地为鲑鲑鱼提供动力。

“健康的河流不是偶然发生的——它们是由生态相互作用维持的，比如这种伙伴关系，”该研究的合著者、加州大学伯克利分校安吉洛海岸保护区的教职员主任玛丽·鲍尔说。该保护区是实地研究的发生地。“当本地物种在健康的食物网中茁壮成长时，河流为渔业和户外社区提供了清洁的水、野生动物和必要的支持。”

利用先进的成像技术，研究小组观察到这对伴侣在一个完美的循环中交换生命的必需品：硅藻利用阳光和二氧化碳制造糖，并与细菌共享，然后细菌利用糖将空气中的氮转化为植物食物。氮帮助硅藻产生更多的糖，因为光合作用的关键酶需要大量的氮。

“这就像握手协议：双方都受益，整条河都繁荣起来，”NAU的博士后研究员、该研究的同位素追踪负责人迈克·赞皮尼（Mike Zampini）说。“结果是能量和养分的高效循环。”

这种合作关系并不是鳗鱼河独有的。Epithemia和类似的硅藻重氮体团队生活在世界各地的河流、湖泊和海洋中，通常是在氮稀缺的地方。这意味着它们可能正在悄悄地提高许多其他生态系统的生产力。

除了它在自然界的作用之外，这种清洁和有效的营养交换可以激发新技术，比如更高效的生物燃料，不污染的天然肥料，甚至是能够自己制造氮的作物，在减少对环境影响的同时降低农民的成本。

马克斯说，当大自然设计出如此优雅的解决方案时，它提醒我们，当人、地方和发现结合在一起时，什么是可能的。

参与这项研究的其他研究人员包括NAU教师Bruce Hungate和Egbert Schwartz，工作人员Michael Wulf和Victor Leshyk以及研究生Raina Fitzpatrick和Saeed Kariunga；阿拉巴马大学教授史蒂文·托马斯和研究生奥古斯丁·西塔蒂；以及劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员泰·萨莫、彼得·韦伯、克里斯蒂娜·拉蒙和詹妮弗·佩特里奇。这项研究的部分资金来自美国国家科学基金会的生命规则/微生物组计划（#2125088）。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究是根据美国能源部DE-AC52-07NA27344合同进行的。