沉积物作为北极海冰和海水中的非蓝藻固氮生物的潜在来源

《Environmental Microbiology Reports》：Sediments as Potential Sources of Non-Cyanobacterial Diazotrophs in Arctic Sea Ice and Seawater

　　

尽管固氮作用（nitrogen fixation）近期已在北冰洋（Arctic Ocean）被确认，但该区域固氮生物（diazotrophs）的生物地理格局仍不清晰，导致对环境氮输入的理解存在关键空白。为解决这些不确定性，研究人员调查了太平洋北极（Pacific Arctic）的第一年固定海冰（first-year land-fast sea ice）、海水和沉积物中的固氮生物及整体原核生物群落（prokaryotic communities），以识别生境特异性模式。海冰和沉积物中的固氮生物群落在所有样本中表现出稳定的结构，两个生境始终由厌氧门热脱硫杆菌门（Thermodesulfobacteriota，特别是脱硫单胞菌纲Desulfuromonadia）和其他硫酸盐还原谱系（sulfate-reducing lineages）主导。相比之下，海水群落呈空间异质性，部分样本中热脱硫杆菌门丰度升高。原核生物群落在不同生境间存在显著差异，热脱硫杆菌门是沉积物中的主要类群。β-多样性（β-diversity）和扩增子序列变异（amplicon sequence variant, ASV）共享分析揭示了海冰与沉积物固氮生物之间存在广泛重叠。鉴于海冰是暂态生境，这些发现表明海冰中的固氮生物源于下覆沉积物。此外，海水中检测到的热脱硫杆菌门ASV与沉积物中的完全相同，指示了可能的再悬浮（resuspension）。总体而言，研究结果强调了沉积物是太平洋北极地区（尤其是大陆架）固氮生物的关键储库。

**论文解读**

**研究背景、问题与开展原因**

北冰洋的固氮作用（nitrogen fixation）近期被证实是生物可利用氮的重要来源，但固氮生物（diazotrophs）在该区域的生物地理分布格局仍不明确，这限制了对环境氮输入机制的理解。传统观点认为，海洋固氮主要由光能自养的蓝藻（cyanobacteria）在温暖、寡营养的热带和亚热带水域完成，但近年研究揭示非蓝藻固氮生物（non-cyanobacterial diazotrophs, NCDs）广泛存在于极地海洋、深海及沉积物中。在北极海冰和沉积物中均发现NCDs存在的证据，但它们的分布特征与生态连通性尚未被系统解析。同时，海冰形成过程中会裹挟沉积物颗粒，提示海冰与沉积物中的固氮生物可能存在潜在联系。为验证这一假说，研究人员采集了太平洋北极地区的海冰、海水和沉积物样本，旨在阐明NCDs的分布格局及其在原核生物群落中的生态位，并探讨沉积物对海冰和海水固氮生物的源汇作用。

研究人员通过对比不同生境（海冰、海水、沉积物）中固氮生物群落的结构和组成，发现海冰与沉积物中的固氮生物群落高度相似，而海水群落则表现出空间异质性。基于β-多样性和扩增子序列变异（amplicon sequence variant, ASV）共享分析，研究人员证实了海冰与沉积物固氮生物的大量重叠，并提出沉积物是海冰和表层海水固氮生物的主要来源。这项研究为理解北极冰-海-沉积物界面氮循环的动态耦合机制提供了关键证据，论文发表在《Environmental Microbiology Reports》。

**主要技术方法**

研究人员于2023年5月在美国阿拉斯加州Point Barrow附近采集海冰芯和冰下海水（under-ice seawater, SWBI）样本，并于2021年9月至10月在楚科奇海（Chukchi Sea）采集沉积物、沉积物上方海水（seawater above sediment, SWAS）和表层海水（surface seawater, SSW）样本。利用靶向nifH基因（编码固氮酶铁蛋白）和16S rRNA基因的扩增子测序（amplicon sequencing）分别分析固氮生物和总原核生物群落组成。序列处理后，通过QIIME2和DADA2进行质量控制和ASV（扩增子序列变异）的鉴定，并基于BLASTp比对进行nifH功能聚类。β-多样性分析采用Bray-Curtis相异度矩阵和非度量多维尺度分析（non-metric multidimensional scaling, NMDS），并经PERMANOVA检验。ASV共享通过UpSet图和Jaccard指数进行定量比较。

**研究结果**

**3.1 环境背景**

海冰盐度范围为3.1–8.0，底层冰中营养盐（NO₃^-、NH₄⁺、PO₄^3-）浓度高于上层，冰下海水（SWBI）盐度稳定在32.8–33.2。楚科奇海表层海水（SSW）氮贫瘠，而近底层海水营养盐充足。所有水样和冰样的无机氮磷比（N/P比）均低于Redfield比（16），表明相对氮限制。

**3.2 原核生物群落**

海冰各层（顶部、中部、底部）的原核生物群落以γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidota）和α-变形菌纲（Alphaproteobacteria）为主，但顶部冰中热脱硫杆菌门（Thermodesulfobacteriota）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）和浮霉菌门（Planctomycetota）比例相对升高。SWBI群落中古菌比例显著升高（24.0%），主要为Nitrosopumilus属。SSW群落组成稳定，缺乏热脱硫杆菌门。NWAS群落与沉积物群落相似，均含较高比例的热脱硫杆菌门。NMDS分析将原核生物群落分为海冰、SWBI、SSW和沉积物四组，其中海冰样本聚类于沉积物和SSW之间。ASV共享分析显示，不同生境间存在广泛重叠，海冰与沉积物共享68个ASV。

**3.3 固氮生物群落**

基于nifH基因分析，海冰和沉积物中的固氮生物群落组成一致，均以Cluster 3和Cluster 1为主，热脱硫杆菌门（尤其脱硫单胞菌纲Desulfuromonadia）占主导（海冰中64.8%–74.0%，沉积物中约47%），蓝藻占比极低（≤0.14%）。SSW的固氮生物群落以Cluster 1为主（~80%），主要由α-变形菌纲、γ-变形菌纲和蓝藻组成。β-多样性分析显示海冰与沉积物样本紧密聚类，与海水群落明显分离。ASV共享分析表明，海冰与沉积物之间的固氮生物ASV重叠度（67%）远高于海冰与SSW（36%）或不同海水环境之间（32%–40%）。UpSet图进一步确认了53个ASV在所有生境中共享，73个ASV仅在沉积物和海冰中共享。

**讨论与结论**

讨论部分指出，原核生物群落整体呈现广泛混合格局，而固氮生物群落具有更强的生境特异性，尤其是海冰与沉积物之间存在高度相似性，提示沉积物是海冰和表层海水固氮生物的主要来源。海冰形成过程中通过接触海底和海岸线裹挟沉积物颗粒，从而引入沉积物相关的微生物群落。此外，海水中检测到的热脱硫杆菌门ASV与沉积物相同，表明沉积物再悬浮是海水固氮生物的重要输入途径。结论部分（第5节）强调，太平洋北极海冰和海水中的固氮生物可能源于下覆沉积物；未来需评估这些沉积物来源的固氮生物在被输送至不同生境后的代谢活性，并探究在气候变化背景下它们如何响应北极环境的快速变化。