海洋蓝藻固氮基因

氮是海洋浮游植物必需的大量元素,又是海洋浮游植物生长的主要限制因子之一,研究氮元素的补充机制对了解海洋生态系统有重要意义。海区氮营养盐的补充主要通过新生氮实现,其主要补充机制为径流输入、大气干湿沉降、水体混合、上升流及生物固氮作用。生物固氮是指固氮生物将大气中的氮气还原成氨的过程,对地球上氮循环和氮平衡具有不可替代的作用。海洋生物固氮作用是维持海洋初级生产力和新生产力的一个重要生态反应。海洋中固氮生物种类较多,主要包括固氮蓝藻、异养细菌和光合细菌。     

海洋生物固氮速率与影响因素的研究进展

海洋生物固氮是指固氮生物利用固氮酶将氮气转化为生物可利用铵盐的海洋氮元素输入过程,和反硝化及厌氧氨氧化等氮流失途径一起制约着大洋氮收支平衡。而固氮速率的测定是研究海洋生物固氮的最直接方式。自发现海洋生物固氮作用以来,固氮速率的测定方法在不断更新改进,但总体来说仍存在较大不确定性。最近用¹⁵N₂同位素示踪法及其他相关数据综合得到全球海洋固氮量为196.1 Tg N∙a⁻¹,最高固氮速率发生在南太平洋热带地区。但分布受到多种因素的影响。其中,物理因素中的光照和温度是全球范围固氮速率分布的最佳预测因子,光照为固氮过程提供能量,温度通过影响固氮酶活性而发挥作用。在化学因素中,铁元素的缺乏成为固氮的重要限制因子。除此之外,还有生物因素,如浮游植物和异养固氮生物等,对固氮量的贡献影响较大。最近有研究对以往固氮作用区域和反硝化作用空间相互耦合的观点表示质疑,提出二者分布空间分离的新格局。研究多控制因素对固氮生物的耦合效应、明确不同物种对固氮总量的相对贡献以及进一步建立固氮速率的原位测定方法是未来海洋固氮作用研究的主要工作。     

秋季南海东北部表层水体固氮及其对初级生产力贡献

2014年10月在南海东北部利用~(15)N和~(14)C示踪法实测了28个站位表层固氮速率和初级生产力,结合温度、盐度、营养盐和叶绿素a(Ch a)分析了南海东北部表层水体生物固氮及其对初级生产力的贡献。结果表明,受珠江冲淡水影响最明显的站位(A1)肉眼可见大量丝状束毛藻(Trichodesmium),其固氮速率达3475nmol N·m–3·h–1,是其他站位固氮速率的1~3个数量级之多;其他站位表层固氮速率在4~213nmol N·m–3·h–1之间,平均固氮速率为77±54nmol N·m–3·h–1(n=27),固氮速率最低的站位出现在受中国沿岸流影响的台湾浅滩及其邻近海域。近岸(水深小于100m)站位表层固氮速率与温度显著正相关(R=0.68,n=11,p0.05),相对高温、高磷和低硝酸盐可能是珠江冲淡水影响站位出现高固氮速率的原因,低温低盐则可能是台湾浅滩及其邻近近岸区域出现低固氮速率的原因。初级生产力(14.19~0.17 mg C·m–3·h–1)从近岸区域到外海逐渐降低,平均为0.61±0.45 mg C·m~(–3)·h~(–1),最高站位出现在台湾浅滩,最低站位出现在深海区。固氮作用对初级生产所需氮的贡献率(0.08%~9.30%,平均3.90%±3.10%)从近岸到外海逐渐增加,表层水温高于26℃时,固氮对初级生产的氮贡献显著增加。以上结果表明,秋季南海东北部固氮和初级生产受珠江冲淡水和沿岸流等物理过程调控。     

海洋固氮蓝藻Calothrix sp.与Lyngbya sp.固氮生理的研究

研究盐度、昼夜变化、温度及阿特拉津(光合系统Ⅱ抑制剂)对2种海洋固氮蓝藻Calothrixsp.strain(代号为MCT1)和Lyngbyasp.strain(代号为MCT6)固氮活性的影响。结果表明,MCT1在盐度10—48范围内具有相对较高的固氮活性,在盐度为30时固氮活性最高,达到0.687 2μmolC2H2.(g.h)-1;而MCT6随盐度改变固氮活性变化幅度较大,盐度为24时具有最高固氮活性,其活性为0.876 8μmolC2H2.(g.h)-1。MCT1和MCT6固氮活性的昼夜变化明显不同,具有异型胞的海洋固氮蓝藻MCT1白天的固氮活性明显高于夜晚;而无异型胞的MCT6最高固氮活性发生在晚上,白天固氮活性较低。一定浓度的阿特拉津通过抑制光合作用阻断能量和还原剂的提供,使藻体在较短时间内丧失固氮能力。加入阿特拉津后2种藻体的固氮活性与对照组相比有明显的变化,实验第3天开始MCT1的所有经阿特拉津处理的样品固氮活性丧失;MCT6经(50—1 000)×10-6阿特拉津处理的样品从实验第3天开始固氮活性完全消失。     

海洋生物固氮作用研究进展

近年来,海洋生物固氮作用研究已成为海洋氮循环研究热点之一,因为它补充了海洋中的结合态氮,影响着海洋氮储库的收支平衡,进而调控海洋的初级生产力,并因此与海洋颗粒有机碳的迁出以及海洋对大气CO2的吸收密切相关.海洋生物固氮作用的研究主要是在近30a开展起来的,现有观点认为全球海洋生物固氮速率为100～200 Tg/a.15↑N2示踪法和乙炔还原法是最重要的生物固氮速率实测方法,而硝酸盐异常指数法、15↑N同位素收支平衡法、卫星遥测法等则是重要的间接估测方法.束毛藻曾被认为是全球海洋最重要的固氮生物,但近年来也发现了固氮生物在微微（pi-co）级和微（nano）级的分布,表明以往基于束毛藻的固氮速率可能是被低估的.海洋生物固氮作用营养盐限制的研究主要集中在铁和磷这2个元素的作用,但目前尚无定论.在中国边缘海生物固氮作用的研究还很匮乏,少数研究表明除黑潮区外,由束毛藻所支持的固氮速率并不高.就海洋固氮作用研究的未来发展,指出今后必须在更大时空尺度上开展海洋生物固氮作用研究,以弥补现有实测数据的不足,并获取固氮微生物种类组成的准确信息,在确定海洋生物固氮作用控制因素的同时,追踪新固定氮的流向,进而为海洋氮循环提供准确信息.     

红树林固氮微生物研究进展

红树林中有丰富的固氮微生物，尽管它们是红树林生态系统的氮素生物地球化学循环中不可缺少的成分，但相对于其它成分，同氮微生物的研究较为薄弱。近年来的研究表明，这些固氮微生物与红树植物生活在一起，可以相互从对方获得生长所需的营养物，同时这些微生物又不可避免地与其他微生物产生相互作用。受环境因子的影响，固氮微生物的固氮活性在不同季节和不同演替阶段的红树林中有较大的差异。本文综述了近年来红树林固氮微生物的研究进展，相对于其他系统的固氮微生物的研究，红树林固氮微生物的研究还有待于加强。     

中国南海一株固氮类芽孢杆菌的筛选和分离鉴定

为了解中国南海海洋自生固氮菌的种类,作者对采集的南海海底淤泥样品进行了固氮微生物的分离、筛选及鉴定。经过土样沸水加热处理,无氮培养基平板初筛后,对分离获得的细菌固氮酶结构基因nif H进行扩增,并对其固氮酶活性进行检测,最终获得一株能够产芽孢的固氮细菌。对该菌株进行生理生化性状测定、16S r DNA序列分析(Gen Bank登录号KJ627376),并基于nif H、16S r DNA系统进化树分析,确定该菌为一株固氮类芽孢菌(Paenibacillus sp.)NH-1。本研究表明固氮类芽孢杆菌在海洋中确有分布,海洋自生固氮菌的多样性远远超出人们之前的认识。     

海水升温与氮限制对三角褐指藻生长及光合作用的影响

以硅藻三角褐指藻为实验材料,研究升温(24℃)与氮限制(40μmol/L)对藻细胞生长及光合特性的影响。结果显示,氮限制使得电子从Q_A~-到Q_B的传递受阻,降低了其对光能的吸收利用效率,导致其对高光强的耐受能力下降,从而降低生长速率。而升温并未影响三角褐指藻细胞电子传递速率、单位反应中心耗散的能量(DI_o/RC)、捕获的用于还原Q_A的能量(TR_o/RC)以及吸收的能量(ABS/RC)等,表明升温对其PSⅡ光化学反应影响不显著。但应对高光强时,升温使得藻细胞修复速率降低,导致藻细胞受光抑制明显。本研究表明,相对于温度,氮限制对三角褐指藻细胞光合作用和生长的影响更为显著,而海水升温与氮限制耦合作用会进一步影响三角褐指藻的初级生产贡献。     

海洋中Fe(Ⅱ)的行为及微生物参与下的过程研究概述

Fe是海洋浮游植物生长所必需的营养元素,而Fe(Ⅱ)是可以被直接吸收利用的形态。由于Fe(Ⅱ)处于氧化还原的中间状态,且在产生和转化的过程中,与NO_3~-的还原和NH_4~+的氧化密切相关。因此,研究Fe(Ⅱ)的产生及消亡机制对于研究海区内的初级生产力及海洋中的C、N元素循环具有重要意义。而目前对于海水中Fe(Ⅱ)的迁移转化机制报道尚少。本文详细论述了海洋中Fe(Ⅱ)的产生机制及Fe(Ⅱ)的化学行为,重点探讨了厌氧微生物催化下,异化还原和铁氨氧化还原对Fe(Ⅱ)产生、消亡等循环过程的作用,以及对周围环境中N移除的影响。     

冬夏季南海西部固氮蓝藻

本研究分析了冬季东北季风期(2006年11月27日-12月16日)及夏季西南季风期(2007年8月11日-9月16日)南海西部越南沿岸区域(10°~17°N,108°~115°E)的网采浮游植物样品,探讨了冬夏两季南海西部固氮蓝藻的物种、丰度及分布特征,以及影响固氮蓝藻丰度与分布的环境因素。冬夏两季南海西部固氮蓝藻主要有束毛藻(Trichodesmium)和胞内植生藻(Richelia intracellularis),束毛藻物种包括铁氏束毛藻(Trichodesmium thiebaultii)、红海束毛藻(Trichodesmium erythraeum)以及汉氏束毛藻(Trichodesmium hildebrandtii),其中铁氏束毛藻为优势种,胞内植生藻主要与根管藻(Rhizosolenia sp.)共生。冬季时束毛藻藻丝体平均丰度为0.194×104 filaments/L,束毛藻细胞平均丰度为0.172×106 cells/L,胞内植生藻细胞平均丰度为0.255×104 cells/L,与笔尖形根管藻(Rhizosolenia styliformis)共生的胞内植生藻居多;蓝藻主要分布在调查海域的北部。夏季时束毛藻藻丝体平均丰度为2.995×104 filaments/L,束毛藻细胞平均丰度为6.007×106 cells/L,胞内植生藻细胞平均丰度为2.198×104 cells/L,与笔尖根管藻共生的胞内植生藻占优势。夏季时固氮蓝藻丰度高于冬季,胞内植生藻宿主更为多样化。本研究中温度及冷窝对蓝藻的分布有重要影响,而盐度单独对蓝藻分布的影响不大,与温度结合时表现出一定的限制作用。     

不同氮源对微藻增殖的影响

采用室内实验的方式研究了无机氮和有机氮对不同微藻增殖的影响情况。比较了不同氮源(氯化铵和尿素)对纤细角毛藻(Chaetoceros gracilis)、赤潮异弯藻(Heterosigma akashiwo Hada)、亚历山大藻(Alexandrium sp．)、隐藻(Chroomonas salina f.adolenscens)4种海洋微藻生长的不同影响。结果表明,有机氮尿素对海洋微藻增殖的影响比无机氮的复杂。由微藻最适生长的氮、磷浓度得到N：P值,讨论了该值对微藻增殖的影响,以及影响N：P值的可能情形。     

不同氮浓度下盐胁迫对坛紫菜(Pyropia haitanensis)生长和光合作用的影响

为了探讨在不同氮浓度条件下盐度胁迫对坛紫菜(Pyropia haitanensis)生长和光合生理的影响,设置高(500μmol/L)、低(50μmol/L)2个氮浓度和15、30和45三个盐度水平,将坛紫菜叶状体在不同的氮和盐度条件下适应培养7d后,测定藻体的生长、色素含量、光合放氧和快速光反应曲线等生理指标。结果显示:在低氮条件下,坛紫菜的生长速率随盐度增加而递减;在高氮下,30盐度水平培养的藻体具有最大生长速率。低氮条件下,叶绿素a(Chl a)、类胡萝卜素(Car)、藻红蛋白(PE)和藻蓝蛋白(PC)的含量在盐度15中较高,而在盐度30和45之间没有显著差异;高氮条件下,盐度对藻体Chl a和Car的含量没有显著影响,但相对于盐度30的处理,盐度15和45都显著降低了PE和PC的含量,虽然这两种色素含量在两个盐度处理间没有显著差异。不同的氮和盐度处理对藻体的光合放氧速率几乎没有影响,除了高氮条件下,单位湿重的放氧速率在盐度30中较低而单位Chl a的放氧速率在盐度45中稍高。从快速光反应曲线的结果看出,盐度虽然对光饱和点(Ik)、电子传递效率(α)和最大相对电子传递速率(r ETRmax)没有显著影响,但高盐胁迫显著提高了光抑制项的值(a)。综上所述,高盐度胁迫能够抑制坛紫菜的生长和光合作用,氮的浓度对这种抑制作用没有显著影响;低盐度胁迫对藻体的生长和光合没有抑制,甚至在低氮条件下表现出对生长的促进。这些结果为坛紫菜的栽培和对富营养化海水的修复提供了一定的理论参考。     

NH_4-N氮源下海洋酸化对东海原甲藻和米氏凯伦藻生长的影响

本文选取东海原甲藻和米氏凯伦藻,以氨氮(NH_4-N)为氮源,通过增加pCO_2(800和1 500μatm)改变海水的酸化程度,研究海洋酸化对东海原甲藻和米氏凯伦藻生长以及抗氧化生物酶活性的影响。研究结果表明,海洋酸化对东海原甲藻和米氏凯伦藻的生长均有抑制作用,两种藻的生长速率在酸化条件下均低于正常海水条件。东海原甲藻和米氏凯伦藻的最大氮吸收速率及其与半饱和常数的比值(V_(max)/K_s比率)均随着酸化程度的加深而降低,表明酸化抑制了浮游植物对NH_4-N的吸收。东海原甲藻在三个实验条件下的V_(max)/K_s比率均高于米氏凯伦藻,表明东海原甲藻比米氏凯伦藻有更强的环境适应性。海洋酸化诱导了东海原甲藻和米氏凯伦藻的活性氧(ROS)升高,随着酸化程度加深,抗氧化生物酶—超氧化歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性升高,这说明,海洋酸化对两种甲藻生长的抑制,通过抗氧化酶的活性变化在生理层面对外界环境作出响应,与生长和营养盐吸收过程相对应。     

固氮作用对黑潮上游区域生态系统影响的模拟研究

为了研究固氮作用对黑潮上游区域生态系统的影响,建立了一个包含固氮生物在内的NPZD(nutrient,phytoplankton,zooplankton,detritus)生物模型,初步模拟结果与观测结果相吻合。通过比较模型中有固氮生物和无固氮生物两种情况下,黑潮上游区域生态系统各参量以及各级生产力的差异,揭示了该区域固氮生物的季节性分布特征,阐明了固氮作用对海洋生态系统动力过程的重要影响。结果表明,固氮生物由于水文和化学因素的影响,主要出现在夏、秋季。固氮产生的新氮源使黑潮上游区域硝酸盐、铵盐、浮游动植物和大小碎屑的量都有明显增加。浮游植物的平均生长速率提高了大约64%,初级生产力、再生生产力和新生产力分别增加了30%左右。在夏季50m以浅水体,固氮作用支持了50%~80%的新生产力,是新生产力的主要贡献者;而在50~200m水体,固氮作用支持了10%~50%的新生产力,深层水的垂直混合带来的氮营养盐成为新生产力的主要贡献者。     

固氮微生物对鳗草植株生长及其根际土壤酶活性的影响

采用室外盆栽实验的方法,初步探究了Bacilus firmus 3A,Thalassospirasp.4G,Bacillus hemicentroti S3-2Y和Bacillus jeotgali S3-4R4种固氮菌单株及其组合(按照1∶1∶1∶1比例混合,简写为Mix)共5个接菌处理组对鳗草植株的存活、生长、生理及根际土壤酶活性的影响。研究显示:5个接菌处理组鳗草植株的存活、生长、生理及根际土壤酶活力等指标均有不同程度的提高或改善,其中菌株4G(Thalassospirasp.)对鳗草生长指标的影响最显著,植株存活率、单株新叶面积和新茎节长比对照组分别提高了57.50%、66.56%和66.95%;菌株3A(B.firmus)处理组鳗草叶片中总叶绿素、类胡萝卜和可溶性糖含量最高,分别为67.94μg·cm~(-2)、9.90μg·cm~(-2)和103.72μg·g~(-1),分别是对照组的1.58、1.85和1.92倍;各处理组根际土壤中脱氢酶和脲酶含量均有显著提高(P0.05),但碱性磷酸酶对固氮微生物的响应不显著。总体促生效果表现为4G3AMixS3-2YS3-4R,其中菌株3A、4G在海草床生态系统恢复中具有较高的应用价值,具备进一步研制固氮微生物肥料的潜力。研究结果为深入探究高效固氮菌株功能与代谢调控及其在鳗草植株人工促繁中的作用奠定了基础。     

一株红树林根际固氮菌的分离、鉴定以及固氮活性测定

采用选择性无氮培养基从红树林根际土壤中分离出一株具有高效固氮活性的固氮细菌,通过形态学,生化鉴定,G+C摩尔分数含量和16S rRNA以及固氮基因nifH的序列分析,初步鉴定为短小芽孢杆菌Bacillus pumilus.其特征是该菌为革兰氏阳性,直杆状,固体培养基上形成圆形白色菌落(直径3-4mm),与短小芽孢杆菌标准菌株相比较,它们在碳源利用,水解以及生长温度盐度等方面具相似程度很高,G+C摩尔分数含量为44.6%,以16S rRNA为基础构建的系统进化树分析其与短小芽孢杆菌B.pumilus B402的进化距离最近,相似性为99.6%,利用乙炔还原法对其固氮活性进行测定,具有较高的固氮活性,为156.32nmol C2H4·H-1·mL-1.     

温度、氮浓度和氮磷比对长心卡帕藻(Kappaphycus alvarezii)吸收氮速率的影响

分别在室内培养箱、海滨室外跑道池和不同自然海区,通过一次性和半连续添加营养、以及检测海区水质和藻体生长的方法,研究了不同氮浓度、温度和氮磷比条件下,长心卡帕藻氮吸收速率的变化和氮吸收速率随时间变化,以及栽培该藻的环境生态贡献。小型实验、中试放大和海区规模栽培结果表明:(1)在10—50μmol/L范围内,该藻吸收氮速率随氮浓度增加而增大;(2)当氮浓度一定时,氮磷比在1—50范围内对该藻吸收氮速率没有产生显著影响(P>0.05);(3)温度对该藻吸收氮速率有显著影响(P<0.05),其中温度在28℃时氮的吸收速率最高;(4)尽管一次性添加营养实验中长心卡帕藻吸收氮速率随时间变化表现出先快后慢的趋势,但是进一步的半连续添加营养实验证实,导致吸收速率下降系底物氮浓度限制,而不是藻本身吸收能力下降,结果还显示卡帕藻具有连续吸收同化无机氮能力;在自然光温度变化和不受底物浓度限制条件下,该藻藻体去除无机氮效率最大维持在0.3μmol/(gFW·h);(5)海南陵水黎安海湾水质数据显示,栽培该藻去除海水富营养化和净化水质作用显著,其去除海水富营养化的年贡献为33t氮素。     

重金属锌对海洋微藻藻源氨基酸产出的影响

锌是海洋微藻生长必需的金属元素,低浓度时可促进微藻的生长,而在高浓度时则表现为抑制其生长。受人类活动的影响,海洋中锌有富集增加的趋势,从而会对海洋微藻的生长产生影响。本论文探究了锌离子以及纳米氧化锌对硅藻中肋骨条藻(Skeletonemacostatum)和新月菱形藻(Nitzschia closterium)生长的影响,特别是对藻源氨基酸产生的影响,结果发现:纳米金属颗粒会通过释放离子的形式抑制海洋浮游植物的生长,中肋骨条藻比新月菱形藻对锌的响应更敏感。锌离子和纳米氧化锌可通过抑制浮游植物的生长来减少氨基酸的释放量和改变藻源氨基酸的种类,从而可能会对海洋氮循环过程产生影响。     

海水养殖与生态环境关系的研究——Ⅰ.无机氮对浮游植物生长的影响

采用中尺度受控生态实验、小型混养实验和虾池取样测定,研究海水中无机氮、N/P比值和藻类光合作用速率的变化规律,分析了无机氮和溶解有机氮(DON)的相互转化,比较了钙质角毛藻对不同形式无机氮的吸收,探讨了人工养殖海水中无机氮对浮游植物生长的影响。     

鼠尾藻(Sargassum thunbergii)对邻苯二甲酸二甲酯(DMP)胁迫的响应

邻苯二甲酸二甲酯(dimethyl phthalate,DMP)是近海环境有机污染物之一,不仅对海洋生物造成毒害,且能在生物体内富集和放大,对海洋生态系统形成严重威胁。本文以鼠尾藻(Sargassum thunbergii)为研究对象,通过测定比生长速率、叶绿素a含量、光合和呼吸速率、光合基因rbcL转录水平上的相对表达量等指标,研究了鼠尾藻对不同浓度DMP的响应。结果表明,低浓度的DMP(0.lmg/L)短时间内(≤15d)能促进鼠尾藻的生长和叶绿素a的合成,并使藻体的光合作用增强,诱导光合基因rbcL的表达,而在高浓度DMP(≥0.3mg/L)的作用下,鼠尾藻的生长速率、光合和呼吸速率、rbcL基因的表达量均随着暴露时间的延长呈明显下降趋势,且DMP浓度越高,降幅越大。以上研究结果对了解DMP对鼠尾藻胁迫的影响机制奠定了基础,为保护海洋经济藻类的养殖环境提供了理论依据。