异养原核生物氮营养盐吸收过程和硝化作用对海域新生产力和生物泵效率的影响

Marine new production regarding to the storage of carbon dioxide from atmosphere to deep ocean and seafloor. The detection of marine new production based on the traditional conception that nitrate within euphotic zone is come from the external environment and wholly assimilated by phytoplankton. While, with the deepening of marine nitrogen cycle research, we recognized that nitrogen nutrients assimilated by heterotrophic prokaryotes and nitrification within euphotic zone lead to the serious deviation of measurement of marine new production and estimation of biological pump efficiency. However, the effects of the two processes on marine new production and biological pump efficiency have not been accurately quantified internationally so far. So, this work will qualitatively study the ecological characteristics of heterotrophic prokaryotic inorganic nitrogen assimilation within euphotic zone of South China Sea based on the field-based incubation that supplemented with 15N labeled inorganic nitrogen, combined with DNA based stable isotope probing (SIP), quantification of genes, metagenomic analysis. At the same time, we will quantitatively analysis the effects of heterotrophic prokaryotic inorganic nitrogen assimilation and nitrification on marine new production and biological pump efficiency by the methods of 14C and 15N tracer combined with flow cell sorting and isotopic mass spectrometry, then acquire a set of updated marine new production data.

海洋新生产力关乎到大气二氧化碳向深海和海底的存储海，其测定基于真光层硝酸盐来自外部环境且全部被浮游植物吸收的设定。随着海洋氮循环认识的不断深入，逐渐认识到：真光层异养原核生物的氮营养盐吸收和硝化作用，均会导致新生产力测定和生物泵效率估算的严重偏差。然而迄今为止，国际上仍没有能够准确定量这两个过程对海域新生产力和生物泵效率的影响。本研究将以15N标记的氮营养盐进行海上原位培养，结合室内DNA-稳定同位素探针（SIP）技术、基因定量、宏基因组学分析，定性研究中国南海真光层异养原核生物氮营养盐吸收的群落特征及代谢途径；同时，通过14C和15N同位素示踪、流式分选和同位素质谱方法，定量分析异养原核生物氮营养盐吸收和硝化作用对新生产力和生物泵效率的影响，最终获取一套校正的海域新生产力数据。

氮营养盐是限制海洋真光层浮游植物初级生产力的主要因素之一。在开阔海洋真光层，主要的新氮来自深海NO3−通过扩散和对流作用的输入，因此NO3−也叫新氮。还原氮NH4+和尿素通常在系统内循环再生，因此也叫再生氮，它们支撑的初级生产力叫再生生产力。新生产与初级生产力（新生产力+再生生产力）的比值（f-ratio）可以用来评估生物泵效率。通常，自养生物被认为是海洋真光层溶解无机氮（DIN）的主要吸收者，而异养原核生物主要利用有机氮。但是，当有机质中的氮不足以支持异养原核生物的生长时，异养原核生物也可通过吸收DIN补充氮源。异养原核生物吸收DIN必然导致新生产力和再生生产力测定的复杂化，也就会导致f-ratio的测定可能存在偏差。虽然，异养原核生物利用DIN的现象早在1970s就被认知，但是，目前海洋真光层异养原核生物与自养生物对DIN的竞争还知之甚少，特别是在有大量蓝细菌生存的中低纬度寡营养海域。在高纬度海域或者近岸蓝细菌较少的海域，可通过分粒径过滤或生物抑制剂的方法区分异养原核生物与大粒径的真核浮游植物。但是，我们不能通过分粒径过滤或生物抑制剂的方法区分异养原核生物与蓝细菌，因为异养原核生物与蓝细菌的细胞大小部分重叠，且它们都属于原核生物。另外，具体是那些异养原核生物在中低纬度寡营养海域参与DIN的吸收也知之甚少。为了探究异养原核生物与自养生物DIN吸收的竞争关系以及对f-ratio测定的影响，本项目在南海现场实施了添加15N标记NH4+、尿素、NO3−和NO2−的培养实验，室内的DNA-稳定同位素探针（SIP）实验结合氮同位素组成分析、qPCR和高通测序分析。研究结果表明，中国南海海域存在系统发育多样性的异养原核生物（主要是α-、γ-变形记类群和古菌MGII）与原绿球藻竞争氮营养盐，并在陆架区和海盆区分别贡献了17%−41%和19%−55%的总氮吸收。异养原核生物DIN吸收可导致f-ratio被高估或被低估。由于异养原核生物DIN吸收在寡营养的海盆区导致f-ratio持续的被高估，因此我们将海盆区的结果用全球模型扩展到全球低纬度寡营养海域，发现f-ratio将降低18%。我们的研究强调了区分异养原核生物和自养生物DIN吸收的重要性，表明异养原核生物对生物碳泵和生物地球化学循环的作用比迄今设想的更为复杂。