太平洋固氮生物的多样性和生物固氮粒级结构研究

Biological N2-fixation is the one of the most important marine new nitrogen sources, which plays significant role in marine N cycle and climate change. And many recent reports provided evidences which emphasize the status of biological N2-fixation in global marine systems and biogeochemical cycles. In this project, we choose two typical oligotrophic tropical areas in the East and West Pacific, respectively, for study. Diversity of diazotroph and their N2-fixation rate will be studied using molecular, ecological and geochemical methods. By doing so, we try to describe the community structure and size fractions of N2-fixation of diazotroph, reveal the distribution characteristics of diazotroph, compare differences between the East and West Pacific ocean, and estimate the contribution of marine biological N2-fixation to new production and new nitrogen input to the open sea systems. We believe that the results will not only improve the gene database of diazotrophs but also provide a better understand of global distribution of marine diazotrophs.

生物固氮是重要的海洋新氮源之一，在海洋氮循环和气候变化等方面具有重要意义，近年各国学者在固氮生物的研究上取得了诸多突破性进展，使其在全球海洋生态系统和生物地球化学循环中的地位日益突出。本项目选取东、西太平洋具有代表性的热带寡营养海域作为研究海区，综合运用分子生物学、生态学和地球化学等多个学科交叉的研究方法，从固氮生物的多样性和生物固氮两个方面入手，详细阐述固氮生物的多样性和生物固氮的粒级结构，力求揭示太平洋固氮生物的分布特征以及东、西太平洋固氮生物群落结构的差异，全面评估海洋生物固氮对海洋新生产力和新氮输入的贡献。本项目的研究成果不仅能够丰富海洋固氮生物的基因数据库，还有助于我们更好的认识海洋固氮生物的全球分布特征，对于补充和完善海洋生物固氮模型以及科学评价生物固氮在海洋生物地球化学循环中的作用有重要科学意义。

自从海洋生物被证明有固氮能力之后，海洋固氮生物就一直成为各国海洋学家关注的焦点。固氮生物不仅具有很高的物种多样性，其生理和生态特征也呈现出较高的多样性，因此固氮生物的群落结构易受环境因素的影响。由于各个固氮生物类群的固氮特性和固氮速率不同，固氮生物群落结构的变化必然影响我们对海洋生物固氮速率估算。随着越来越多海洋固氮生物的发现，全球海洋生物固氮速率的估算值被不断修正，生物固氮在海洋生物地球化学循环中的重要性日益突出，已经从一个微不足道的氮补充源转变成至关重要的海洋新氮源。. 本项研究利用大洋航次调查在太平洋采集大量海水样品，主要进行以下几项研究：1）太平洋固氮生物多样性和群落结构；2）太平洋固氮生物的大尺度分布；3）生物固氮速率及其粒级结构在太平洋的大尺度分布。. 通过本课题研究主要获得以下几项结果：1）太平洋固氮生物群落存在明显的空间差异，水平方向上，自西向东，固氮生物优势类群由大粒级束毛藻向单细胞固氮细菌转变，垂直方向上，表层和次表层海水固氮生物群落已蓝细菌为主，随水深增大，优势群落转变为变形菌，多样性总体较低，东西太平洋的固氮优势类群也存在明显差别；2）太平洋束毛藻主要优势种包括红海束毛藻（Trichodesmium erythraeum）、铁氏束毛藻（T. thiebautii），在太平洋表现出显著的自西向东降低的趋势，且在西太平洋束毛藻存在明显的季节动力学变化特征；3）北太平洋低纬度海域生物固氮速率总体呈自西向东降低的态势，在上层200m水柱中，生物固氮速率也呈现随深度增减而降低的趋势；4）太平洋生物固氮粒级结构总体上以<10um粒级占优势，同时也存在东、西向的变化，西太平洋以3um以上粒级贡献为主，东太平洋已3um以下粒级贡献为主，反应出不同粒级固氮生物的分布差异。. 总体上，本项研究从固氮生物多样性、群落结构到生物固氮速率和粒级结构等多个方面进行了较为系统的研究，证明研究海域单细胞固氮生物是主要优势类群，同时也是生物固氮的主要来源。这项研究成果对于认识海洋特别是开放性大洋生态系统中的固氮生物群落组成及其对海洋氮循环的贡献都有重要意义。