研究人员找到了将氮转化为植物养分的自然后备方案

虽然氮对所有生物都是必需的——它占了人体的3%——并且构成了地球大气的78%，但具有讽刺意味的是，植物和自然系统很难获得它。

大气中的氮不能被大多数生物直接利用。在自然界中，土壤和水体中的特殊微生物通过一种叫做固氮的过程，将氮转化为氨——一种生命很容易获得的氮的重要形式。在农业上，可以种植大豆和其他有利于固氮的豆科植物来恢复土壤肥力。

在向依赖氮的植物和生态系统提供氮的过程中，另一个障碍是微生物的氮“固定器”含有一种叫做固氮酶的复杂蛋白质，它含有一个富含金属的内核。现有的研究主要集中在含一种特殊金属——钼的固氮酶上。

然而，土壤中极少量的钼引起了人们对陆地固氮自然极限的关注。科学家们一直想知道，在人为干扰之后，或者随着人们越来越多地寻找耕地来养活日益增长的人口，钼的缺乏对大自然恢复生态系统肥力的能力造成了什么限制。

根据发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)杂志上的一项研究，普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员发现，土壤中含量更丰富的金属可以促进固氮，这表明固氮对钼缺乏的适应能力可能比之前认为的更强。在加拿大一段372英里(600公里)的北方森林中，研究人员发现，金属钒也可以催化生态系统范围内的固氮，特别是在自然氮输入有限的北部地区。

“这项工作促使我们对微量营养素如何控制生态系统氮状态和肥力的理解发生重大修正，”资深作者、地球科学助理教授、普林斯顿环境研究所的张新宁说。

她说:“我们需要更多地了解固氮如何在营养预算、循环和生物多样性方面表现出来。”“这一发现的一个后果是，目前对通过固定作用向北方森林输入氮量的估计可能大大低估了。这是我们了解森林生态系统营养需求的一个主要问题，目前森林生态系统是人为碳的一个重要汇。”

第一作者Romain Darnajoux是Zhang研究组的博士后研究员，他解释说，这些发现证实了科学界长期以来的一个假设，即存在不同的固氮酶的金属变体，这样生物体就可以应对金属有效性的变化。研究人员发现，以钒为基础的固氮只有在环境中钼含量较低时才具有实质性意义。

Darnajoux说:“在环境多变的情况下，自然似乎进化出了备份方法来维持生态系统的肥力。”每一个氮循环的步骤都涉及一种酶，这种酶需要特定的微量金属才能起作用。钼和铁是科学研究的重点，因为它们被认为是固氮酶中必不可少的固氮酶。然而，一种以钒为基础的固氮酶也存在，但不幸的是，这种酶的氮输入在很大程度上被忽视了。

Darnajoux、张与尼古拉斯Magain法郎̧ois Lutzoni杜克大学和玛丽Renaudin和让-菲利普•Bellenger在魁北克大学的路易斯塔里夫。

Darnajoux说，研究人员的结果表明，目前对通过固定作用向北方针叶林输入氮的估计少得可怜，这将低估了植物茁壮生长所需的氮。北方森林作为人为碳的储存地，有助于减缓气候变化。虽然这些北方森林没有像人口最稀少的大都市那样有那么多的人类游客，但人类活动仍然可以通过携带氮和金属(如钼和钒)的空气污染的大气运输对森林的肥力产生重大影响。

张说:“人类活动对空气质量的显著改变会对遥远的生态系统产生深远的影响。”这些发现强调了空气污染在改变微量营养素和宏量营养素动态方面的重要性。由于空气是全球共有的，因此，金属和氮循环与空气污染之间的联系具有一些有趣的政策和管理层面。”

研究人员的发现可能有助于开发更精确的气候模型，这些模型在模拟全球氮在陆地、海洋和大气中的流动时，并不明确包含有关钼或钒的信息。

Darnajoux和Zhang说，钒驱动的固氮作用的重要性延伸到其他高纬度地区，并最有可能延伸到温带和热带地区。他们在研究中发现，生态系统中激活或停用钒固氮所需的钼量的阈值与跨越不同生物群落的样品对固氮所需的钼量非常相似。

研究人员将继续在北纬地区寻找以钒为基础的固氮作用。他们还将目光转向离家更近的地区，开始研究新泽西州温带森林的微量和宏量营养素动态，并计划将研究扩展到热带系统。

11月14日，发表在《美国国家科学院院刊》上的论文《北方针叶林生态系统规模替代型钒固氮酶活性的钼阈值》。这项工作是由生命科学博士后奖学金西蒙斯基金会加拿大自然科学和工程研究理事会(格兰特rgpin – 2016 – 03660),加拿大研究主席在北方生物地球化学(crc – 950 – 230570)和国家科学基金会地球生物学和低温地球化学奖(ear – 1631814),生物多样性的维度奖(deb – 1046065),和一个系统分类奖项(deb – 1556995)。