溶解有机质调控北冰洋固氮作用：来自太平洋扇区的观测与实验证据

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Dissolved Organic Matter Impacts Nitrogen Fixation in the Arctic Ocean

　　

专业摘要翻译： 气候变化驱动的海冰消退、初级生产力增加和氮耗竭正在重塑北冰洋（Arctic Ocean, AO）的生物地球化学过程。这些变化可能增加固氮作用（nitrogen fixation）的重要性，即由被称为固氮微生物（diazotrophs）的微生物将二氮气转化为生物可利用铵的过程。然而，气候变化驱动的变化（如初级生产力增加和河流输入带来的溶解有机质（dissolved organic matter, DOM）增加）将如何影响固氮作用仍属未知。研究人员展示了北冰洋太平洋扇区不同深度和不同水文状况下固氮速率以及现存和转录活跃的固氮微生物群落组成。固氮作用广泛存在但速率普遍较低（<1 nmol N L?1 d?1）。UCYN-A2（一种定鞭藻的nitroplast）贡献了大部分现存和表达的固氮酶（nifH）基因。实验表明，添加不稳定的DOM（单糖、丙酮酸和乙酸）、过滤的富含叶绿素a海水（自生DOM的替代物）或4-羟基苯甲酸（陆地来源DOM的替代物）在某些站位刺激了固氮作用，且响应在很大程度上取决于原位条件。UCYN-A1和UCYN-A2 nitroplast对DOM处理响应最为显著，升高的nifH基因转录表明定鞭藻-nitroplast共生体可以利用多种DOM来源。研究结果表明，气候变化通过其对DOM动态和初级生产力的影响，可能尤其影响UCYN-A的固氮作用，从而影响北冰洋的生物地球化学和生产力。

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一、研究背景与科学问题

北冰洋（Arctic Ocean, AO）是全球最小的海洋，仅占全球海洋面积和体积的3%和1%，却贡献了高达14%的全球海洋CO₂汇。这一通量主要由北极初级生产力维持，而初级生产力通常受无机氮（inorganic nitrogen）可利用性的限制。因此，理解北冰洋的氮输入对于预测其未来生产力、生物地球化学和碳封存至关重要。

固氮作用（nitrogen fixation）是将N₂气体生物还原为铵（NH₄⁺）的过程，由被称为固氮微生物（diazotrophs）的专门微生物执行。在寡营养的热带和亚热带区域，固氮微生物提供的固定氮可占新初级生产力的50%。在北冰洋，已在多个区域测定了固氮速率，如太平洋入流（白令海峡）、楚科奇海和波弗特海、加拿大北极群岛、大西洋入流和欧亚海盆。因此，固氮作用广泛存在，但测量在时空上仍然稀疏。

北冰洋固氮微生物群落的组成主要基于固氮酶基因（nifH）进行检测。在太平洋扇区，UCYN-A（一种此前被认为是蓝藻共生体、现被认定为定鞭藻Braarudosphaera bigelowii内固氮细胞器“nitroplast”的生物）是主要固氮者。UCYN-A1和UCYN-A2亚系在白令海和楚科奇海占主导。在大西洋扇区，蓝藻和UCYN-A通常稀少，非蓝藻固氮微生物（non-cyanobacterial diazotrophs, NCDs）主导群落组成和nifH基因表达。蓝藻和NCDs具有根本不同的代谢方式，分别为光养和异养，因此它们对未来环境扰动的响应可能取决于主导生态驱动因素和所在区域。

由于巨大的流域面积，北冰洋接收了全球约11%的河流径流，从而获得大量陆地来源的DOM和颗粒有机质。预计这一淡水输入将增加，导致陆源DOM（包括木质素衍生化合物）向北极沿海和陆架区域输入增加。此外，北极变暖速度是全球平均的四倍，导致海冰覆盖迅速减少。1998年至2018年间，北冰洋初级生产力增加了57%，并预计随海冰减少带来的光照增加而进一步提高。这将可能增加浮游植物释放的生物可利用DOM供应。因此，增加的河流径流和初级生产力将改变DOM的数量、特征和分布，但这些变化对固氮作用的影响尚不清楚。

二、研究内容与主要结论

本研究在太平洋扇区北冰洋开展，该区域水文状况复杂，包含生产力水平和河流影响不同的水团。研究人员于2023年9月4日至10月4日搭乘R/V Mirai科考船（航次号MR23-06C），在25个站位采集样本，测定了nifH群落组成与表达、固氮速率，并在7个站位开展了DOM添加实验。结果表明，固氮作用在太平洋扇区广泛存在但速率普遍较低（<1 nmol N L^?1 d^?1），UCYN-A2在现存和表达的nifH基因中占主导。DOM添加实验显示，不稳定DOM（单糖、丙酮酸和乙酸）、过滤的富含叶绿素a海水（自生DOM替代物）和4-羟基苯甲酸（陆源DOM替代物）在部分站位刺激了固氮作用，响应取决于原位条件。UCYN-A1和UCYN-A2 nitroplast对DOM处理响应最显著，升高的nifH基因转录表明定鞭藻-nitroplast共生体可以利用多种DOM来源。这些发现表明，气候变化通过影响DOM动态和初级生产力，可能尤其影响UCYN-A的固氮作用，进而影响北冰洋的生物地球化学和生产力。

三、主要关键技术方法

本研究使用了以下关键技术方法：在R/V Mirai科考船MR23-06C航次中，对25个站位进行采样，覆盖白令海峡、楚科奇海及海台、阿拉斯加海岸、加拿大海盆和东西伯利亚海边缘。采用¹⁵N₂示踪法测定固氮速率，NaH¹³CO₃示踪法测定初级生产力。DOM特性通过高温催化燃烧测定溶解有机碳（DOC），使用分光光度计和荧光光谱仪分析有色DOM（CDOM）和荧光DOM（FDOM），并计算新鲜度指数（FrI）和斜率比（Sr）以区分自生和陆源DOM。固氮微生物群落通过nifH基因的巢式PCR扩增和Illumina MiSeq测序获得，并使用定量PCR（qPCR）对UCYN-A1和UCYN-A2的nifH基因和转录本进行定量。DOM添加实验在7个站位进行，包括三种处理：不稳定DOC混合物、过滤的高叶绿素a海水和4-羟基苯甲酸。

四、研究结果

1. 1.
   环境背景与原位DOM特征

采样区域受白令海峡入流影响，携带相对温暖和营养丰富的水体进入楚科奇海和西部北冰洋。表层水温变化范围大（?1.7至7.7°C），盐度范围为24.2至33.9。25个站位中有20个站位的溶解无机氮（DIN）低于0.5 μmol L^?1。基于所有DOM特性测量，可将站位区分为自生（浮游植物来源）和异生（陆源）影响。主成分分析（PCA）显示PC1分离了DOM特征。细菌丰度范围为1.8×10⁵至1.0×10⁶ cells mL^?1，北部站位（>74°N）通常最低。叶绿素a浓度普遍较低（<0.5 μg L^?1），但在部分沿海站位升高至2.6 μg L^?1。

1. 2.
   原位固氮与初级生产力

表层水（5 m）固氮速率范围从低于检测限（LOD）到2.34 nmol N L^?1 d^?1，普遍较低。共进行了43次固氮速率测量，其中17次低于LOD。高于LOD的速率范围为0.03至2.34 nmol N L^?1 d^?1，平均为0.44 ± 0.50 nmol N L^?1 d^?1。深度积分速率（至100 m）范围为0至23.6 μmol N m^?2 d^?1。5 m处初级生产力范围为22至3270 nmol C L^?1 d^?1，北部站位（>74°N）最低。固氮对初级生产力的潜在贡献通常低于1%，但在5 m和72.6 m深度分别高达7%和16%。

1. 3.
   现存与活跃固氮微生物

在所有原位样本中，UCYN-A2是最丰富的固氮微生物，分别占DNA和RNA样本reads的32%和74%。UCYN-A1是第二丰富的，分别占DNA和RNA reads的5%和13%。大量ASV（29%的reads）缺乏属级分类学分配，主要属于Deltaproteobacteria和Gammaproteobacteria。在5 m样本中，UCYN-A2在14个（组成）和18个（表达）样本中占主导（>50% reads）。冗余分析（RDA）表明，硅酸盐、DIN和叶绿素a可解释5 m样本固氮微生物群落组成的18%。qPCR数据显示，UCYN-A2 nifH基因和转录本丰度在5 m处范围分别为0至5.7和0至6.0（log₁₀ copies L^?1），白令海峡、楚科奇海和阿拉斯加沿海站位最高。UCYN-A2基因丰度与固氮速率、初级生产力、叶绿素a、细菌丰度和温度正相关，与深度和磷酸盐负相关。

1. 4.
   DOM添加实验

DOM实验在7个代表不同水团条件的站位进行。对照固氮速率在3个站位（11、29和41）低于LOD，高于LOD的对照速率范围为0.08至2.34 nmol N L^?1 d^?1。UCYN-A2和UCYN-A1在26个实验样本中的23个中主导nifH基因表达（>50%相对丰度）。在站位11（阿拉斯加海岸）和41（白令海峡），DOC和LIG处理显示固氮速率升高（虽未达统计显著）。站位11的DOC处理中，UCYN-A1和UCYN-A2转录本丰度均显著高于对照。站位36（东西伯利亚海）的CHL处理固氮速率显著高于对照。站位23（加拿大海盆）的CHL处理固氮速率显著高于对照，且UCYN-A2转录本丰度增加。站位23的DOC和LIG处理也显著增加了UCYN-A2转录本丰度。站位8（楚科奇海）和20（阿拉斯加海岸）的DOM处理未刺激固氮速率，但站位8的CHL处理增加了UCYN-A2转录本丰度。站位29（楚科奇海台）固氮速率始终低于LOD，但所有处理的UCYN-A2转录本丰度均升高。

五、讨论与结论

本研究表明，在太平洋北冰洋，添加不稳定DOC或来自叶绿素a最大值的过滤海水可在局部刺激固氮作用，而添加木质素衍生酚类化合物4-羟基苯甲酸的刺激作用较弱。值得注意的是，UCYN-A2对实验处理的nifH基因转录刺激响应最强。

在DOC处理中，添加简单碳水化合物混合物在站位11和41刺激了固氮作用，这两个站位以异生DOM为主，表明在生物可利用DOM可能短缺的水域，不稳定DOC刺激了固氮。在CHL处理中，站位23和36的固氮作用被刺激，这两个站位以低温、低初级生产力、低叶绿素a和低DOM新鲜度指数为特征。UCYN-A2转录本丰度在7个站位中的5个CHL处理中增加，表明UCYN-A2–B. bigelowii共生体可以利用浮游植物来源的DOM。在LIG处理中，站位11的固氮作用增加，站位23和29的UCYN-A2转录本丰度增加，表明B. bigelowii可能直接或通过中间细菌降解间接利用陆源DOM。

固氮微生物群落组成和nifH基因表达强烈由UCYN-A亚系主导，尤其是UCYN-A2，其基因和转录本丰度均与固氮速率相关。这表明定鞭藻B. bigelowii及其相关UCYN-A2 nitroplast是太平洋北冰洋的关键固氮者。UCYN-A2基因和转录本丰度与温度正相关，在楚科奇海台和东西伯利亚海的冷水域丰度低且转录本不可检测，表明低温限制了UCYN-A2及其定鞭藻宿主。NCDs在低温和低生产力的北部站位相对丰度和表达升高，表明NCDs在北极固氮中发挥作用，尤其是在非沿海的北部站位。

固氮作用在太平洋北冰洋大部分区域发生，包括此前未测量过的东西伯利亚海和楚科奇海台。速率普遍较低，与先前研究一致。虽然许多速率接近检测限，但由于夏季北冰洋普遍存在低DIN浓度，它们可能仍在氮循环和生产力中发挥重要作用。尽管固氮对初级生产力的潜在贡献通常低于1%，但在离散样本中可高达16%。

总体而言，本研究的实验表明，固氮微生物可以响应多种类型的DOM，但响应因站位而异，且固氮速率常处于检测限边缘。研究结果强调，气候变化通过影响DOM动态和初级生产力，可能尤其影响UCYN-A的固氮作用，从而影响北冰洋的生物地球化学和生产力。