研究人員發(fā)現(xiàn)自然界將氮轉(zhuǎn)化為植物養(yǎng)分的后備計劃

盡管氮對所有生物都是必不可少的，它占人體的3%，占地球大氣的78%，但具有諷刺意味的是，植物和自然系統(tǒng)很難獲取氮。

大氣氮不能直接用于大多數(shù)生物。在自然界中，土壤和水體中的特殊微生物通過稱為固氮的過程將氮轉(zhuǎn)化為氨(一種生命可以輕松獲取的至關(guān)重要的氮形式)。在農(nóng)業(yè)中，可以種植大豆和其他有利于固氮的豆類來恢復(fù)土壤肥力。

使依賴于此的植物和生態(tài)系統(tǒng)獲得氮的過程中的另一個障礙是微生物氮“固定劑”中摻入了一種復(fù)雜的蛋白質(zhì)，稱為“固氮酶”，其中含有富含金屬的核心?，F(xiàn)有研究集中在含有特定金屬鉬的固氮酶上。

然而，在土壤中發(fā)現(xiàn)的鉬極少，引起了人們對土地固氮的自然限制的關(guān)注?？茖W(xué)家們想知道，在人為干擾或人們?nèi)找鎸で罂筛仞B(yǎng)活不斷增長的人口之后，鉬的稀缺對自然界恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)肥力的能力有何限制?

普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)證據(jù)，表明當(dāng)鉬缺乏時，其他金屬也可以促進(jìn)固氮，這表明該過程可能比以前認(rèn)為的更具彈性，根據(jù)《美國國家科學(xué)院院刊》上的一項研究。研究人員在加拿大372英里(600公里)長的北方森林中工作，他們發(fā)現(xiàn)金屬釩也可以催化生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模的固氮，特別是在自然氮輸入有限的北部地區(qū)。

“這項工作促使我們對微量營養(yǎng)素如何控制生態(tài)系統(tǒng)氮素狀況和肥力的理解進(jìn)行了重大修訂，”地球科學(xué)助理教授和普林斯頓環(huán)境研究所的張欣寧說。

她說：“我們需要更多地了解固氮在養(yǎng)分預(yù)算，循環(huán)和生物多樣性方面的表現(xiàn)。” “這一發(fā)現(xiàn)的一個結(jié)果是，目前對固著進(jìn)入北方森林的氮輸入量的估計可能被大大低估了。這是我們了解森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分需求的一個主要問題，目前森林生態(tài)系統(tǒng)是人類活動的重要匯碳。”

張的研究小組的博士后研究員，第一作者Romain Darnajoux解釋說，這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了科學(xué)界長期以來存在的一個假設(shè)，即存在不同類型的固氮酶金屬變體，以便生物體可以應(yīng)對金屬利用率的變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，僅當(dāng)環(huán)境鉬含量較低時，釩基固氮作用才有效。

Darnajoux說：“當(dāng)環(huán)境變化時，自然界似乎進(jìn)化出備用方法來維持生態(tài)系統(tǒng)的肥力。” “每個氮循環(huán)步驟都涉及一種酶，該酶需要特定的微量金屬才能起作用。鉬和鐵通常是科學(xué)研究的重點(diǎn)，因為它們被認(rèn)為是固氮酶固氮酶中必不可少的。但是，基于釩的固氮酶也存在，但不幸地很大程度上忽略了該酶的氮輸入。”

Darnajoux和Zhang與杜克大學(xué)的Nicolas Magain和Franc?ois Lutzoni以及魁北克舍布魯克大學(xué)的Marie Renaudin和Jean-Philippe Bellenger一起工作。

研究人員的結(jié)果表明，目前對通過固著進(jìn)入北方森林的氮輸入的估計非常低，這將低估植物生長旺盛所需的氮。北方森林通過充當(dāng)人為碳匯來幫助緩解氣候變化。盡管這些北部森林的人來訪者不及人口最稀少的大都會，但人類活動仍然可以通過大氣中空氣中充滿氮和金屬(例如鉬和釩)的大氣遷移，對森林的肥力產(chǎn)生重大影響。

張說：“人類活動大大改變了空氣質(zhì)量，甚至對偏遠(yuǎn)的生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作方式都可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。” “這些發(fā)現(xiàn)凸顯了空氣污染在改變微量營養(yǎng)素和大量營養(yǎng)素動態(tài)方面的重要性。由于空氣是全球共有物，因此金屬與氮循環(huán)和空氣污染之間的聯(lián)系具有一些有趣的政策和管理方面。”

研究人員的發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)更精確的氣候模型，該模型在模擬流經(jīng)陸地，海洋和大氣層的全球氮流量時并未明確包含有關(guān)鉬或釩的信息。

Darnajoux和Zhang說，釩驅(qū)動固氮的重要性擴(kuò)展到其他高緯度地區(qū)，最有可能出現(xiàn)溫帶和熱帶系統(tǒng)。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)激活或失活釩氮固定所需的鉬量閾值與跨不同生物群系的樣品中固定氮的鉬需求量非常相似。

研究人員將繼續(xù)在北緯地區(qū)尋找釩基固氮劑。他們還把目光轉(zhuǎn)向了離家較近的地區(qū)，開始研究新澤西州溫帶森林中的微量元素和常量營養(yǎng)素動態(tài)，并計劃將其工作擴(kuò)展到熱帶地區(qū)。