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从笑气说起:海洋中的氮损失 精选

已有 7617 次阅读 2013-8-4 16:38 |个人分类:生态研究|系统分类:科研笔记| 海洋, 笑气

记得我们初中二年级的时候,就开始学化学了,感觉比小学的自然常识有趣多了。记得当时学到元素及其化合物的氮有关的课程时,说N2O又名“笑气”,是一种令人发笑的气体。老师介绍,1772年,英国化学家普利斯特利发现了这种气体。当时因为他的实验中看到木炭在其中燃烧得更旺,就以为是“氧气”。但后来发现这种气体有许多与氧气不太一样的地方,比如,气体稍带“令人愉快”的甜味,能溶于水,至少比氧气的溶解度大得多!他的这个疑问一直没有解开。26年后,一位名叫戴维的年轻实验员,以他惯常的方式嗅了这种气体后,不由自主地大声笑了起来,过了好久才安静下来。至此,这种气体就被称为“笑气”了。之后,戴维还发现这种气体具有麻醉性,并在拔掉龋齿后,以这种气体为自己减轻痛苦。当时我听到这个故事,就觉得很好笑,居然有这样的气体。一直央求老师在化学实验中给我们演示一下,让我们大家都体会一下是什么样的效果。老师还真演示了,不知道是产生的气体不足,还是我坐在较后的位置受到的影响不大,反正我是没有笑起来的。但这个故事连同这个气体我是记忆非常深刻的。

从来没有想到,这样的气体在多年以后会与自己的工作有什么联系。开始做自己有关全球气候变化的研究了,看到了有关温室气体对全球升温的贡献百分比的权威数据:二氧化碳占55%,甲烷占15%,氧化亚氮占6%,氟氯碳化物占24%。其中,甲烷和氧化亚氮在近些年也特别受到关注,让我们不得不对笑气进行更进一步的了解了。

空气中含有大约78%的氮气,氮也是许多生物过程的基本元素,它存在于所有组成蛋白质的氨基酸中,是构成诸如DNA等的核酸的四种基本元素之一。在植物中,大量的氮素被用于制造可进行光合作用供植物生长的叶绿素分子。构成陆地生态系统氮循环的主要环节是:生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。在生产工业化以前,氮循环系统中,氮的收支是平衡的,即固氮作用和脱氨作用基本持平。但农田大量施用氮肥后,会打破这种平衡,使得排入大气的N2O不断增多。虽然是笑气,但这种状况令人们是笑不起来的!

大多教课书上说,氨的氧化只在有氧条件下才能发生。但是,最近的一些研究发现,在缺氧/厌氧条件下,氨也可以由厌氧氨氧化菌以亚硝酸为电子受体直接氧化为氮气,完成封闭的产氮气循环,同时避免温室气体N2O产生。试想,厌氧氨氧化反应如果在陆地生态系统也能出现,那将是一个非常了不起的现象,可大幅度减少N2O的排放,那样我们会因为笑气的减少而笑了。

不过,厌氧氨氧化作用(anammox)目前主要是在海洋生态系统中发现的。以上是一个引子,主要是为了介绍Ward(2013)最近的一篇科普文章,说明了反硝化作用和厌氧氨氧化作用二者发生的耦合关系和对条件的苛刻性。

海洋中的生产力一般是会受到氮(N)和磷(P)等营养物质的限制的。在全球范围内,氮固定(输入)和氮损失(输出)的速率一般被认为是大致相当的,但是这两个速率其实都是很不确定的。氮损失过程发生在次表层水体和沉积物中,并取决于有机质的供应量(来源于表层水的初级生产力)。但最近数年的一些报告改变了我们对控制和导致氮损失通路的理解。

导致氮损失的两个主要过程为反硝化作用和厌氧氨氧化作用。这些过程从根本上依赖于不同的生物和代谢途径。反硝化作用是从硝态氮到氮气连续的还原作用,其中有一些氧化中间体,而厌氧氨氧化菌与铵和亚硝酸盐相结合产生氮气。大多数反硝化生物从浮游植物产生的有机物获得它们生长所需要的碳,而厌氧氨氧化细菌将它们自己的二氧化碳固定到生物量中。大多反硝化菌消耗和降解有机物的过程,会释放出溶解无机氮(包括NH4和NO2)。厌氧氨氧化菌需要NH4和NO2源,这主要来自于其他微生物对有机物的分解(见图)。


图 氮损失的驱动力。导致海洋OMZ氮损失的两个细菌过程取决于表层的有机物供应。最近的研究解释了反硝化作用与厌氧氨氧化作用的速率和比例是如何受到海水和沉积物的控制的。

 

厌氧氨氧化作用是一个由细菌介导的缓慢过程,最小的世代时间近2周。大多数海洋细菌及其采食者的世代时间从几小时到几天不等,因此在海洋环境(包括公海区域氧浓度非常低的海域,OMZs)中只报道了厌氧氨氧化作用还是相当令人吃惊的。在这些海域,反硝化作用被认为是导致氮损失的唯一过程。在没有反硝化作用的条件下,支持厌氧氨氧化作用的NO2和NH4源是一个谜。海洋中的有机物质有一个完善的平均基本组成,这是从初级生产者所提供的资源而建立起来的。这些物质可完全分解和矿化而形成二氧化碳和氮气,维持71:29的比例。其他的比例则要求额外来源的氮或碳供应。有关达到100% 厌氧氨氧化作用的报告认为其主要矛盾,不管是实验中,还是在我们对海洋碳和氮循环的理解中都存在。

大洋一些主要OMZs区域中进行的有关反硝化作用和厌氧氨氧化作用的后续调查,这两种作用都有发生,但二者很少同时发生。有两个假说可用来解释某些地方明显缺乏反硝化作用的问题。Lam等(2009)认为存在三个铵的替代源(在OMZ水域亚硝酸盐浓度通常是足够高的):微好氧呼吸作用,即在好氧作用下的有机物降解;从沉积物或从其他水体侧向平流的传输;以及异化的硝酸盐还原为铵(NO3 → NH4)。然而,在OMZ中大多数时间是没有氧气的,而且即使间歇的氧供应也不能支持微好氧呼吸所必要的降解率。从沉积物和异化铵硝酸盐还原的铵均可能提供铵离子,但是其比例不足于支持已观测到的因厌氧氨氧化作用导致的消耗。

第二个假说认为,发生在OMZs的反硝化作用,其时空分布是破碎化的,只是有机质供应的插曲。当然也有人怀疑,我们对OMZ的了解还不多,寥寥一些有限范围的考察,其实只提供很少的一些信息,可能错过了重要的反硝化作用区域。如果这样考虑的话,那么反硝化作用的范围可能是局部的和动态的,而厌氧氨氧化作用则是缓慢、稳定和一致的,但最终依赖于反硝化作用所提供的溶解无机氮(DIN)。

最近的研究发现似乎可解决争议,并赞成第二个假说。在沿南美海岸的OMZ,Dalsgaard等(2012)同时发现了厌氧氨氧化作用和反硝化作用。厌氧氨氧化作用几乎在每个站点都能观察到,但所占比例很低,而反硝化作用并不是特别普遍,但在几个站点所占的比例非常高。当将这些数据进行均值化处理后,氮从反硝化作用和厌氧氨氧化作用产生氮气的比例为72:28,这与预期的比例非常接近,但是与早前在同一地区基于有线测量的数据所报道的厌氧氨氧化作用占优势的结果有很大出入。

Ward(2013)实验室的独立研究工作发现,氮的总体损失率取决于所添加的有机质数量,反硝化作用与厌氧氨氧化作用的比例决于可用底物的碳氮比(C:N)。在沉积物和OMZ水体中,天然有机质的碳氮比非常接近与海洋平均值(~7.5),导致反硝化作用与厌氧氨氧化作用的比例为70:30,几乎完全是所预测的那个比例。添加氨基酸或蔗糖+铵进行扩增培养,各自表现出较高和较低的厌氧氨氧化作用比例,符合这些底物的C:N比。

在OMZ水体中,DIN只能来自有机物降解水体,氮的总损失率,以及反硝化作用与厌氧氨氧化作用的相对贡献必然受到有机物供应的限制。Dalsgaard等(2012)大量的实地测量表明,反硝化作用和厌氧氨氧化作用在时空分布上是不同的。Ward(2013)的实验根据所添加的有机物供应的组成,对这些差异进行了解释。因此,在解释OMZ水体中的氮损失时,既不需对氮循环进行重大修改,也不需有机物质供应的DIN独立运输。

虽然最近的这些报告似乎解决了一个重大争议,但进一步伴随而来的问题可能仍然隐藏在反硝化作用之下。大多脱氮菌是消耗有机物的,但有一些细菌氧化还原态的硫化合物,并从中获取能量用于CO2的固定。通常,只是在沉积物中这些生物被认为是重要的,但最近有关硫化物氧化的证据和自养硫氧化基因的活性表达证据表明,神秘的硫循环与OMZ中的反硝化作用是联系在一起的。因此在这些地区有机物可能并不是唯一对反硝化有控制作用的因素。

反硝化作用和厌氧氨氧化作用都发生在OMZs和海洋沉积物中,有效消耗着从表层水下沉的有机物质,代表了所有的海洋氮损失。氮损失率对有机物供应的依赖,意味着一个紧密耦合的海洋氮循环,这控制了表层水的肥力。

 

参考资料:
[1] 黑碳,仅次于二氧化碳温室效应的气候污染物(http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-657275.html
[2] OCEANS: How Nitrogen Is Lost. Science, 341: 352-353. DOI: 10.1126/science.1240314

[3] 生态中心在湿地厌氧氨氧化氮循环研究中取得进展(http://www.cas.ac.cn/ky/kyjz/201301/t20130123_3755978.shtml)



http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-714050.html

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