近日，香港科技大学刘红斌研究团队与日本北海道大学铃木 光次研究团队合作，在国际地学顶级期刊Global Biogeochemical Cycles在线发表了题为“Physical Forcing Controls the Basin‐scale Occurrence of Nitrogen‐Fixing Organisms in the North Pacific Ocean”的研究论文，通过大尺度的观测揭示了三种主要固氮生物在北太平洋的时空变化及其调控机制。
图1. 采样站位图。
氮是地球上生物必需的元素，同时也是海洋生产力等主要限制因子之一。而固氮生物（固氮菌）能将氮气转换成其他生物可利用的形式（氨氮），是海洋中关键的氮源。随着分子生物技术的发展和应用，不同种类的固氮菌在海洋中被陆续发现。然而，由于大多数固氮菌难以培养以及野外观测的覆盖率和分辨率有限，海洋中不同固氮菌的生态生理、分布和数量的时空变化以及调控机制目前尚未清楚。该研究对于2014年到2016年覆盖北太平洋的519个站位的表层水体中三种主要固氮菌（束毛藻 Trichodesmium，UCYN-A1 和Gamma-A）的分布与数量进行了史无前例的大尺度观测。这三种固氮菌中，束毛藻是海洋中最早被发现的固氮菌，为丝状的蓝细菌，被公认为是海洋中最重要的固氮菌之一。UCYN-A1 是与定鞭藻共生的蓝细菌，是海洋中已知的最广布的固氮菌。而Gamma-A 是γ-变形杆菌，是海洋中已知的最主要的非蓝细菌的固氮生物。
透过大尺度的观测，该研究首次揭示了三种主要固氮菌在太平洋海盆尺度的时空变化。由于不同固氮菌与温度相关性上的差异，三种固氮菌在不同着季节和纬度表现不同的分布状况。值得注意的是，束毛藻和UCYN-A1在太平洋东西两侧的丰度比太平洋中心的要高。此发现挑战了过去人们对于海洋固氮和固氮菌主要分布在大洋中央的观念。此外，该研究发现三种固氮菌均在此前被认为鮮有固氮菌与固氮作用的北太平洋过渡带（30–40°N）有很高的丰度。另外，通过遥感分析，该研究发现固氮菌的丰度在太平洋东西两侧与物理过程有密切的相关性。在西北太平洋，固氮菌的丰度与涡动动能及海平面高度异常数据呈正相关。而在东北太平洋，固氮菌的丰度则与风应力旋度正相关。这些结果暗示中尺度暖涡和沿岸风生上升流分别对于西北和东北太平洋固氮菌的促进作用。该研究的发现更新了我们对于海洋主要固氮菌的生态生理，时空变化以及调控机制的了解，同时也为预测海洋固氮菌和固氮作用在全球气候变化中的响应提供基础。
图2. (a) 三种主要固氮菌在太平洋海盆尺度的四季分布，(b) 在不同纬度的丰度 (c) 以及与温度的相关性。
团队博士后张顺恩为本论文第一作者，刘红斌教授与铃木 光次教授为通讯作者，日本北海道大学似内 梨纱和鹤本 千寻、日本京都大学的远藤 寿助理教授、日本国立环境研究所中冈 慎一郎研究员、马来西亚马来亚大学谢葵博士、中国科学院南海海洋研究所夏晓敏研究员以及墨西哥Ensenada Center for Scientific Research and Higher Education的Jaime Frber-Lorda研究员为共同作者。该研究工作中，刘红斌教授得到了南方海洋科学与工程广东省海洋实验室香港分部 (SMSEGL20SC02)、国家重点基础研究发展规划973计划(2015CB954003)、香港研究资助局 (16101917 和 16128416) 的资助。铃木 光次教授得到了日本文部科学省和科学技术振兴机构的资助 (JPMJCR11A5、JPMXD0511102330和24121004)。
论文来源:Cheung, S., Nitanai, R., Tsurumoto, C., Endo, H., Nakaoka, S., Cheah, W., Lorda, J., Xia, X., Liu, H.*, and Suzuki, K.* (2020) Physical forcing controls the basin-scale occurrence of nitrogen-fixing organisms in the North Pacific Ocean. Global Biogeochemical Cycles, 34, e2019GB006452. DOI: 10.1029/2019GB006452.
论文链接:
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2019GB006452
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信息来源:香港科技大学刘红斌研究团队
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