生物固氮

蓝色生物技术研究之海洋生物固氮
摘要：蓝色生物技术也称海洋生物技术．是指应用于海洋生物的基因工程、细胞工程、生化工程等微观生物技术和应用于海洋生态环境中的生态工程等宏观技术的综合．是分子生物学、微生物学、材料化学、工程学、医学和生态学等多学科的融合。

本文主要介绍了海洋固氮微生物，并从海洋生物的固氮作用的研究历史、海洋生物固氮的研究意义以及对未来的展望等方面概述了海洋生物固氮的研究进展。

关键词：生物技术；海洋生物；固氮作用
生命的维持和延续不仅需要能量，而且还必需各种物质，其中，蛋白质和核酸是构成生物体的主要成分，而氮是构成蛋白质和核酸的重要元素。

生态系统的氮循环是气体型的生物地球化学循环，固氮是其重要过程。

迄今已知的能固氮的生物多属于原核生物，固氮生物分为2大类:①能独立生存的自生型固氮微生物，分为细菌和蓝藻两类;②与其他植物或动物共生的共生型固氮微生物。

陆生和水生植物以氨和硝酸盐的形式吸收氮，将它转化为氨基酸或核酸，然后又转化为消费者动物的相关成分。

氮循环在生态系统中是一个相当完全的自我调节系统，形成动态平衡。

溶解在海水中的氮如何被生物体利用的问题曾困扰海洋学家达数十年之久。

陆生植物获取氮的方式是通过与其共生的细菌所进行的固氮作用来将氮气转换成可利用的固定氮。

而溶解在海洋中的氮气也很多，因此当时科学家推测，海洋生物可以自行制造它们本身所需的氮。

近年来，海洋生物固氮作用研究已成为海洋氮循环研究热点之一，因为它补充了海洋中的结合态氮，影响着海洋氮储库的收支平衡，进而调控海洋的初级生产力，并因此与海洋颗粒有机碳的迁出以及海洋对大气CO
的吸收密切相关。

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1 海洋固氮微生物
固氮微生物在形态及功能上具有显著的多样性，迄今已知的海洋浮游固氮微生物多为原核生物，广义上可分为2大类：一类是能独立生存的自生固氮微生
物，另一类是与其他动植物共生的固氮微生物。

自20世纪60年代以来，束毛藻(Trichodesmium spp．)就被视为海洋中最重要的自生固氮蓝细菌。

束毛藻在全球寡营养盐的热带和亚热带海区广泛存在，并经常形成大规模的水华。

细胞生态学及基因测序的结果表明该属有5个种：铁氏速毛藻(T.thiebautii)、汉氏束毛藻(T.hildebrandtii)、红海束毛藻(T.erythraeum)、纤束毛藻(T.tenue)、扭束毛藻(T.contortum)。

在形态上可分为游离丝状体和簇集成团两类。

束毛藻主要生活在水温高于20。

C的热带和亚热带海域，并且因为其特有的细胞气囊结构可以在海洋上层100 nl水柱内垂直移动。

条件适宜时，束毛藻往往形成水华，并在较短时间内大量固氮，构成海洋固氮速率估算中不可忽视的一部分。

Zehr等(2001)和Montoya等(2004)通过分子生物学等手段发现了具有同氮能力的蓝细菌和蛋白细菌在微微(pico)级和微(nano)级的分布，它们不但具有高固氮能力且可昼夜固氮。

这个发现成为过去10 a海洋生物固氮作用研究的最大进展之一。

与其他动植物共生并具有固氮能力的一些生物也是海洋结合态氮的一个重要来源，如胞内植生藻(Richelia intracellularis)可与某些硅藻共生并固氮，在许多海区是仅次于束毛藻的固氮者。

2 海洋生物固氮作用的研究历史
相对陆地生态系而言，海洋生态系生物固氮作用的研究要滞后得多，较大规模的实测研究则是在近30a才开展起来。

Dugdale(1961)通过15N
：示踪培养法研
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究了北大西洋马尾藻海的生物固氮作用，首次证实了该海区柬毛藻固氮作用的存在。

束毛藻自此被视为最重要的海洋固氮微生物。

但此后15N
培养测定固氮速率
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的方法并没有马上得到广泛应用，主要是受限于当时的仪器分析水平。

随后，另一种精度更高、更易操作、更廉价的测定固氮速率的方法——乙炔还原法的出现，极大地推进了海洋生物固氮作用研究的发展。

到了20世纪末，同位素比值质谱技
示踪法测定固氮速率无论在灵敏度、可操作性等方面都得术的突飞猛进使得15N
2
到了质的提升，此法较乙炔还原法具有明显优越性，自此，该直接测定法成为海洋固氮速率测定的首选。

其他的估算方法尚包括：硝酸盐异常指数(N+)法、15N 同位素收支平衡法、卫星遥测法等。

目前看来，早期研究中获得的全球海洋生物同氮速率可能被低估了，比如，
Capone(1982)估算出全球海洋生物同氮速率仅为10～20 Tg／a，这是依据在热带大西洋和加勒比海进行的有限的现场直接测定束毛藻固氮速率并结合历史记载的束毛藻在主要大洋中的丰度而估算出的结果．然而到了1997年，据Gruber估算仅仅北大西洋的固氮速率就达到了28 Tg／a。

现在得到较多认可的全球海洋生物固氮速率为100～200Tg／a。

但实际情况是，无论哪个估算值都存在很大的不确定性，其原因在于生物固氮速率实测值不足、固氮生物的水华贡献难以定量、固氮微生物种类的不确定性等。

3 海洋生物固氮研究意义
氮是海洋浮游植物必需的大量元素，又是海洋浮游植物生长的主要限制因子之一，研究氮元素的补充机制对了解海洋生态系统有重要意义。

海区氮、营养盐的补充主要通过新生氮实现，其主要补充机制为径流输入、大气干湿沉降、水体混合、上升流、生物固氮作用。

生物固氮是指固氮生物将大气中的氮气还原成氨的过程，对地球上氮循环和氮平衡具有不可替代的作用。

海洋生物固氮作用是维持海洋初级生产力和新生产力的一个重要生态反应。

氮经常是陆地和水生生物群落中有机体生长的限制因子，可靠的氮源对控制
古代和现代海洋CO
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平衡十分重要。

在寡营养盐的低纬度海域，由于表层结合态氮盐的不足，真光层以外输入的氮源对于支持海洋初级生产力至关重要。

来自真
光层以深水体向上输送的NO
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-被认为是真光层新N的最主要来源。

但随着海洋生物固氮作用研究的开展，固氮作用作为新氮来源的重要性已得到公认。

固氮微生物不仅能够通过固氮作用来支持自身生长，还能通过细胞分泌等过程向当地释放结合态氮以缓解当地的氮限制。

海洋浮游植物吸收大气CO：合成的有机碳从真光
层向下输出(生物泵)调控着大气CO
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含量，而深层水向上层海洋输送硝酸盐来支
持浮游植物的新生产力及输出生产力，但是下层水体在向上输送NO
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-的同时，
也伴随着CO
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的输入．与此不同的是，其他外源性新氮的输入(如海洋生物固氮、
河流输入、大气沉降等)却能够实现海洋对大气CO
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的净埋藏，因而在吸收大气
CO
2方面发挥着重要作用。

在千年到万年的时间尺度上，大气CO
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含量变化可能
受控于海洋氮储库的变化。

4 展望
海洋生物固氮作用是海洋与大气相互作用的一个关键环节，影响着海洋碳、氮生物地球化学循环过程及其对全球变化的响应与反馈．近些年来，对海洋生物固氮作用的重要性有了新的认识，但对于海洋固氮速率及其时空变化的了解仍十分有限，未来有必要加强如下几方面的研究：
(1)在更大时空尺度上开展海洋生物固氮研究，获得更多实测数据，弥补当前实测速率的不足，以进一步得到较为准确的全球海洋固氮速率值，对于中国海洋学家来说任务尤其艰巨。

(2)获取海洋固氮微生物种类组成的准确信息，不仅仅局限于束毛藻，其他更小型的单细胞蓝细菌、蛋白细菌等在某些条件下也可能扮演着重要的角色。

(3)进一步探索海洋生物固氮作用的影响因素，深入了解铁、磷等营养盐及其他物理、化学、生物因子对海洋固氮作用的调控作用。

(4)追踪新固定氮的流向，准确评估生物固氮作用在海洋生态系中的功能与作用。

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