科學家首次評估單細胞固氮藍藻的全球固氮通量

廈門大學教授史大林團隊基于在西北太平洋副熱帶流渦區開展的高分辨率觀測，定量分析了固氮生物群落的豐度、結構和固氮速率，進而應用廣義加性模型刻畫的優勢固氮藍藻的生態位特征預測了其在全球海洋的主要分布格局，首次系統性地評估了單細胞固氮藍藻UCYN-B的全球固氮通量，揭示了其對海洋固氮的重要貢獻。日前，相關研究成果發表于《國家科學評論》。

史大林團隊前期研究發現，單細胞固氮藍藻UCYN-B在NPSG西部呈高豐度分布，這不同于主導ALOHA站的固氮類群。盡管UCYN-B的固氮能力已被證實，但其在全球海洋中的高豐度分布卻鮮有報道。因此，UCYN-B的全球分布格局、環境調控機制以及固氮貢獻，因采樣不足而缺乏系統評估。這一認知空白可能導致全球固氮通量被系統性低估，進而影響海洋碳匯評估的準確性。

史大林在西北太平洋開展海盆尺度高分辨率觀測。基于15N2穩定同位素示蹤技術，測定海區夏季水柱積分固氮速率高達199–821 μmol N m-2d-1，與全球固氮熱點海區相當。通過分粒徑固氮速率測定、宏基因組與固氮酶nifH功能基因測序，首次證實單細胞固氮藍藻UCYN-B在西北太平洋占據絕對優勢。nifH基因qPCR定量結果進一步表明，UCYN-B在高固氮速率站位豐度占比高達67%-99%，且其水柱積分豐度與固氮速率的時空分布高度吻合。結合已報道的nanoSIMS定量的單細胞固氮速率評估發現，UCYN-B貢獻了約90%研究海區的固氮量，是驅動西北太平洋副熱帶流渦區生物固氮的關鍵物種。

研究證實UCYN-B主導并驅動了西北太平洋海盆尺度的高固氮速率，表明其可能在類似寡營養海域廣泛分布并貢獻固氮。研究結果表明，UCYN-B驅動的高固氮速率被以往全球固氮模型嚴重低估。估算結果顯示，區域貢獻：UCYN-B在西北太平洋貢獻固氮通量達5.2–7.2 Tg N yr-1；全球潛力：UCYN-B主導海區（西北太平洋、西南太平洋、西印度洋、南大西洋）共可貢獻固氮通量達10.8–15.0TgNyr-1，相當于當前全球海洋固氮通量的約20%。尤其在印度洋，估算UCYN-B的固氮通量（3.4–4.8 Tg N yr-1）可達以往該區域固氮通量估值的10倍，占印度洋總固氮量的45–52%，突顯了UCYN-B的重要貢獻，反映出以往模型的局限性。

該研究揭示了單細胞固氮藍藻UCYN-B主導并驅動西北太平洋海盆尺度的生物固氮過程，首次預測并量化評估了UCYN-B主導海域的固氮通量，強調了UCYN-B在全球海洋固氮中被忽略的關鍵作用，并指出以往固氮模型低估了其重要貢獻。該研究基于廣義加性模型構建的生態位模型框架，能有效解析環境因子對固氮藍藻豐度的調控機制，并模擬其全球分布格局，為預測氣候變化下海洋生物固氮格局的演變提供了關鍵參數與理論基礎。

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf337