High cell-specific rates of nitrogen and carbon fixation by the cyanobacterium Aphanizomenon sp. at low temperatures in the Baltic Sea

波羅的海藍藻 Aphanizomenon sp.在低溫下對氮和碳的固定率很高

來源：FEMS Microbiology Ecology, 91, 2015, fiv131

 

論文摘要

本研究首次報道了波羅的海藍藻Aphanizomenonsp.在生長季早期（6月初）低溫（10°C）條件下的細胞特異性固氮（N?）和碳（C）固定率。通過結合穩定同位素（1?N?, 13C）原位培養、二次離子質譜（SIMS）、元素分析-同位素比值質譜（EA-IRMS）、1?C標記以及氧微電極（O?-microsensors）等多種方法，研究發現該藍藻在10°C下表現出高固氮率（平均55 fmol N cell?1 day?1）和碳固定率，其活性與8月份19°C時報道的速率相當。暗環境下固氮率為光下的20%。高光強會抑制碳固定但不抑制固氮，導致碳氮固定比晝夜變化大。高呼吸速率（占總光合作用的23%）可能為高固氮率提供能量。研究表明，Aphanizomenonsp.是波羅的海早季低溫環境下重要的固氮貢獻者。

研究目的

本研究旨在：

 

獲取早季（6月初，低溫10°C）波羅的海Aphanizomenonsp.的細胞特異性固氮和碳固定速率，填補該季節數據的空白。

探究低溫條件下該藍藻的固氮和光合作用活性，及其與夏季高溫條件下活性的比較。

闡明光強對碳固定和固氮的不同影響，以及碳氮代謝之間的耦合關系。

 

評估高固氮率所需的能量代價，并通過呼吸作用進行量化。

 

研究思路

研究采用多技術聯用的綜合方法：

 

樣品采集：6月初在波羅的海斯德哥爾摩群島附近站點，使用浮游生物網收集Aphanizomenonsp.群體，并在實驗室內分離純化。

多方法活性測量：

 

穩定同位素標記與SIMS/EA-IRMS分析：在環境光強和溫度下，對群體進行24小時1?N?和13C同位素標記培養，隨后利用SIMS（提供細胞特異性數據）和EA-IRMS（提供群體平均水平數據）分析氮、碳固定速率。

1?C標記實驗：測量碳固定的特異性攝取率。

 

氧通量直接測量：使用丹麥Unisense氧微電極直接測量群體-水界面的氧氣濃度梯度，計算凈光合作用和呼吸速率。

 

形態與化學分析：通過顯微鏡測定細胞尺寸、異形胞頻率，并分析細胞的碳、氮、磷含量。

 

數據整合與比較：將不同方法獲得的數據進行關聯，比較早季低溫與夏季高溫下的活性差異，并分析環境因子（如光強）的影響。

 

測量的數據、研究意義及來源

研究測量了多方面的數據：

 

細胞特異性固氮和碳固定速率數據（SIMS）：

 

數據內容：SIMS分析顯示，在24小時光照培養后，平均凈固氮率為55 ± 19 fmol N cell?1 day?1，凈碳固定率為215 ± 65 fmol C cell?1 day?1。暗固氮率約為光下的20%。數據還顯示不同細胞間存在異質性。

 

研究意義：首次在細胞水平上量化了早季低溫下Aphanizomenonsp.的高固氮和碳固定能力，證明其即使在10°C下也具有顯著的代謝活性。細胞間異質性反映了種群內的功能分化。數據來自表1**。

 

 

群體水平碳氮固定數據（EA-IRMS）：

 

數據內容：EA-IRMS測量顯示，碳特異性碳同化率在早晨至中午增加近10倍，之后保持穩定；氮特異性固氮率在光下和暗下均隨時間增加。

 

研究意義：提供了群體平均水平的數據，與SIMS細胞數據互補，并揭示了碳固定在午后被抑制（可能因高光）而固氮持續進行的晝夜動態。數據來自圖4。

 

 

碳特異性同化率數據（1?C方法）：

 

數據內容：在恒定光強下，碳同化率隨培養時間線性增加（P = 0.034 × t + 0.014 μmol C μmol C?1 h?1）；轉入黑暗后立即下降，平均呼吸速率R = 0.0074 μmol C μmol C?1 h?1。

 

研究意義：驗證了光合作用的線性增長和黑暗呼吸的存在，為計算能量預算提供了參數。數據來自圖5。

 

 

使用丹麥Unisense電極測量的氧氣通量數據：

 

數據內容：通過測量群體-水界面的穩態氧梯度，計算出光合作用（P）和呼吸作用（R）均為群體體積的線性函數（例如，P = 126 × V_colony - 0.34 nmol O? h?1）。暗呼吸與總光合作用的比值為0.23 ± 0.09。

 

研究意義：直接、原位地量化了群體的凈氧氣產生和消耗速率。高呼吸比率暗示了維持高固氮活性所需的巨大能量成本。數據來自圖6。

 

 

細胞形態與元素組成數據：

 

數據內容：平均細胞體積為155 μm3，碳含量為2.7 ± 0.3 pmol C cell?1，C:N摩爾比為6.31 ± 0.02，異形胞頻率為2.0%。

 

研究意義：為將通量數據標準化為細胞特異性速率提供了關鍵的轉換基準，異形胞頻率有助于理解固氮細胞的比例。數據來自表2。

 

 

研究結論

 

Aphanizomenonsp.在波羅的海生長季早期的低溫（10°C）條件下，表現出極高的細胞特異性固氮和碳固定速率，與夏季高溫（19°C）下的速率相當，挑戰了低溫必然限制代謝活性的傳統認知。

碳固定和固氮作用并非嚴格耦合。高光強（>1000 μmol photons m?2 s?1）會抑制碳固定但不抑制固氮，導致午后碳氮固定比降低。

觀察到的高呼吸速率（占總光合的23%）很可能反映了為固氮這一耗能過程提供ATP和還原力的需求。

在黑暗中進行的有一定速率的固氮（光下的20%）表明，能量可以部分來自儲存物質的呼吸作用。

 

本研究強調了Aphanizomenonsp.是波羅的海早季氮輸入的關鍵貢獻者，其對低溫的適應性對生態系統氮循環有重要影響。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義

在本文中，使用丹麥Unisense氧微電極測量的數據具有關鍵的研究意義，其詳細解讀如下：

 

實現原位、高時空分辨率的氣體通量測量：Unisense氧微電極是一種克拉克型傳感器，尖端極細（~2μm），響應時間快（<1秒）。本研究將其直接置于Aphanizomenon群體表面，以高空間分辨率（50μm步進）測量氧氣濃度的梯度。這種方法避免了破壞群體結構，能夠捕獲最接近自然狀態的界面微環境信息**，從而計算出準確的氧氣通量（光合產氧和呼吸耗氧）。

直接量化能量代謝并為固氮成本提供證據：通過測量光下和暗下的氧通量，研究者直接得到了凈光合作用（Pn）和呼吸作用（R）的速率。計算出的暗呼吸與總光合作用之比（R/Gross P = 0.23）是一個關鍵指標。這個異常高的比值強有力地支持了“高固氮率需要高能量投入”的假設，因為固氮過程消耗大量ATP。Unisense電極提供的直接氣體交換數據為這一能量權衡機制提供了最直觀的實驗證據。

揭示群體大小與代謝活動的尺度關系：數據顯示，光合和呼吸速率均與群體體積呈線性正相關（圖6）。這表明較大的群體對局地氧環境和碳氮循環的貢獻更大，也將個體細胞的活性與宏觀的群體效應聯系起來。這種關系只有通過能測量群體界面梯度的微傳感器才能獲得。

驗證其他方法的可靠性：由Unisense數據計算出的碳特異性光合速率與1?C方法測得的結果相似（見表3）。這種一致性交叉驗證了不同方法測量碳代謝的可靠性，增強了整個研究結論的可信度。

 

評估微環境條件：測量顯示群體表面氧濃度在黑暗中也高于厭氧水平，表明固氮場所（異形胞）可能受到群體內部低氧環境的保護，但并未達到完全厭氧，這為了解固氮的微環境調控提供了線索。

 

綜上所述，丹麥Unisense氧微電極測量的數據不僅是本研究量化能量代謝（光合和呼吸）的核心依據，更是將固氮這一“昂貴”的代謝過程與其能量成本直接聯系起來的關鍵橋梁。其高分辨率的原位測量能力，使研究者能夠深入理解微生物群體在真實環境中的生理生態功能，凸顯了微傳感器在微生物海洋學研究中不可替代的價值。