厦大的氮循环实验室

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1、 廈大的氮循環實驗室廈大的氮循環實驗室 高樹基 廈門大學近海海洋環境國家重點實驗室 摘要摘要 氮循環過程複雜，相關研究一直是全球海洋科學研究的難點之一。KK 師從 I. R. Kaplan, 在博士期間就以氮同位素為手段探索海洋氮循環過程。回台後，因 為種種因素，氮同位素實驗室一直無法完善。在恩師 KK 的支持和鼓勵下，我於 2011 年投身廈門大學，開始搭建氮同位素實驗室平臺，2015 年的廈大氮循環實 驗室已經有了雛形，建立了不同形態氮素的天然同位素分析方法，自主創立同步 測定氧化亞氮（N2O）和氮氣（N2）的氮同位素比值技術，大幅提升對氮過程研 究的能力。結合穩定同位素人工標記技術，氮循

2、環實驗室取得部分創新性成果如 下：1）實現南海大氣硝氮沉降的來源示蹤；2）首次發現真光層存在微生物活動 產生並且積累的溫室氣體 N2O； 3） 沉積物同位素配對法的改良與新的沉積物氮 過程探索；4）高濁度河口的氨氧化過程與顆粒氧化態鐵的角色；5）近岸富營養 水體的氮動力過程-質量平衡與同位素示蹤法；6）從沉積物氮同位素解讀阿拉伯 海的氮循環歷史 致致 KK 我深信緣分。考研後本來決定到中山大學, 我和您的緣，卻只因為參加了海 洋所的新生烤肉會，白書禎老師的一句話“啊！你就是高樹基，KK 指定說你是 他的學生，要我們不准動你”。就這麼一句話，我幸運的做了您的學生。我一直 都不是個聽話的學生，給您

3、找了不少麻煩。您包容我，給我極大的自由度，您的 言教很少，但是身教讓我如沐春風。去年，當我看見您寄來嘉宇結婚的照片，我 落淚了，想到這個孩子當時被成大退學，您長途開車下臺南幫忙搬家的情景。您 包容我，就像包容你的孩子。知道您在 1981 回國後一直想把氮同位素（尤其是 硝氮）實驗室建立起來，因為種種困難，一直不成功，期間我沒幫上忙。在我成 為您的學生 15 年後（也是您收我為徒的不惑之年），我深刻體認到傳承的重要 性。數年後，廈門大學提供了我絕佳的機會，有充足的生源與經費可以達成我人 生另一階段的目標。您說“一切都是浮雲，大愛無疆，你在哪裡可以過得快樂、 做得更好，就選擇那裡”。這句話不就是您

4、職業生涯軌跡的倒影嗎？！沒想到的 是，與世無爭、忠厚勤奮的您，這麼年輕就被主給徵召了。2015 年的廈大實驗 室已經有了雛形 ， 打造世界先進的氮同位素實驗室是我的夢想 ， 也是您曾經的夢 。 人生雖如浮雲，但我將用我的餘生，學您一樣，做一朵烙印在學生心裡，永遠的 浮雲。 前前言言 氮是組成生物有機體的主要元素，在海洋環境中，氮是生態系統新陳代謝的重要物質基礎，在海洋生物地球化學過程中扮演著極為重要的角色。氮循環過程 中會釋放出溫室效應約為 CO2 300 倍的溫室氣體 N2O ， 定量計算出所釋放的 N2O 對評估大氣溫室效應具有重要意義。硝酸鹽是海洋中最主要的生物可利用氮和溶 解無機氮的主

5、要存在形態，通常是開闊大洋初級生產力的主要限制因子；深層海 洋輸入真光層的硝酸鹽含量決定了海洋的新生產力水準（即淨初級生產力；“穩 態”條件下也等同於真光層的輸出生產力），從而在很大程度上調控著海洋生物 泵的固碳效率，並由此形成了碳、氮等生源要素的耦合過程。 含氮化合物形態多樣，含量和分佈特點各不相同，因此氮循環過程比較複雜 （圖 1）。從定量的角度來說，浮游植物吸收 NH4+、NO2-、 NO3-支持光合作用 合成有機物在整個氮循環過程中占主要地位 (Capone et al., 2008)。浮游植物對 NH4+ 營養鹽 的吸收具有較強偏好性，整個動力學過程耗能低，因此，幾乎所有 的浮游植物

6、都會利用 NH4+ 鹽。生物吸收 NO3-過程是將正五價的氮轉化為負三價， 該還原過程需要消耗大量能量 (Zehr and Ward, 2002) 。通常，能利用 NO3- 的浮 游植物就同時具備利用 NO2- 的能力(Capone et al., 2008)。硝化作用指在有氧的 條件下，硝化細菌或者氨氧化古菌將 NH3轉化 NO2-，再進一步轉化為 NO3-的過 程。該過程沒有改變整個氮庫存的總含量，卻對 NH4+、NO2-、 NO3-的形態分佈 具有重要影響，進而影響與之相關的過程。固氮藻類或者固氮菌在固氮酶的作用 下將溶解態 N2 轉化為有機氮或 NH4+ 進而為其他生物提供所需的含氮營

7、養鹽。 生物固氮作用是海洋中生物可利用性氮最重要的來源，尤其在寡營養鹽海域。 (Deutsch et al., 2007) 。氮儲庫流失的主要途徑為缺氧區的反硝化作用、厭氧氨 氧化作用等過程。反硝化過程是指通過異養細菌的呼吸作用消耗有機物，NO3- （O2耗盡之後)則作為電子受體被進一步還原成 N2O 或 N2 (Lam and Kuypers 2011)。厭氧氨氧化是指厭氧氨氧化細菌在固定二氧化碳過程中以 NO2-作為電子 受體，將 NO2-和 NH4+ 還原成 N2 (G ven et al., 2005)。近年來，有許多新的脫氮 過程被發現，如氧氣限制下的自營性硝化反硝化（OLAND）、

8、化學反硝化 （chemo-denitrification）、耦合硝化反硝化（coupled nitrification denitrification） 等（Brandes et al., 2007）。 由於氮循環過程的複雜性，目前很多過程及作用機制仍有待深入解析。氮在 海洋中的停留時間約 3000 年（Gruber, 2004），遠低於磷（10000-13000 年）， 其在海洋中的遷移轉化過程相當活躍。諸多物理、化學和生物過程均會對不同形 態氮的相互轉化產生影響，從而造成不同區域的氮循環過程存在較大的時空變異 性，也同時加大了海洋氮循環研究的難度和不確定性。以固氮作用和反硝化作用 為例，兩

9、者分別是海洋氮輸入和去除的主要途徑，而不同研究對海洋固氮和反硝 化通量的估算差異高達數倍 （e.g., Capone, 2001; Codispoti et al., 2001; Gruber, 2005），極大限制了海洋氮儲量及其對海洋初級生產力和大氣 CO2 濃度回饋作 用的準確評估 。 再如 ， 硝化作用對海洋中不同形態氮的分佈具有重要的控制作用 ， 而目前單是海洋硝化作用速率的研究就存在較大問題，培養方法不同，計算方式 不同，結果相距甚遠。此外，對於硝化過程的研究多集中在上層水體，深層海洋 以及控制海洋硝化作用速率時空變化的主要機制仍是未知 Ward, 2008。另外， 缺氧環境下的硝

10、化作用往往伴隨著反硝化作用的發生 （e.g., Jenkins and Kemp, 1984; Naqvi et al., 1998），而兩者間的相互關係和相對重要性則有待評估。 圖 1.氮循環過程 平臺搭建平臺搭建 歷時三年多的探索，我們發展了全套不同形態氮素的穩定同位素分析方法 （表 1）。在硝酸鹽和亞硝酸鹽氮氧同位素的測試方面，我們成功發展並熟練掌 握了細菌還原法和化學還原法兩種國際最為領先測試方法，我們還參加了“國際 硝酸鹽同位素比對”，我們所運用的細菌還原法測試結果的精確度和準確度都得 到了國際同行的認可，表明本實驗室在細菌還原法測試硝酸鹽同位素技術達到了 國際領先實驗室的水準。在此

11、基礎之上，我們進一步發展和結合運用多種前沿技 術進一步提高對於現有氮同位素的分析水準，主要包括：1）運用濕式消解法和 細菌還原法聯用測試溶解性有機氮（DON）、顆粒有機氮（PON）、常量氨氮 等其他形態氮素的氮同位素測試，使用該方法可以大大降低目前用元素分析儀 -IRMS 測量氮同位素的檢測限（降低兩個數量級） ，極大的推進了同位素技術在 低濃度樣品尤其是在寡營養海域的應用範疇；2）通過高效液相色譜分離純化系 統得以分離和純化不同類別的氨基酸，進而通過濕式消解法和細菌法聯用測定不 同單體氨基酸的同位素資訊，從而為深入研究 DON 在海洋氮循環過程中的角色 及其潛在生物地球化學過程提供有力的證據

12、；3）結合流式細胞儀分選技術和人 工標記同位素培養，可獲取不同浮游植物類群（微型真核浮游植物、聚球藻和原 綠球藻）對於不同營養鹽的吸收速率，從而深入瞭解生物泵過程這一重大科學問 題；4）利用我們自行設置和改裝的一套前端分離純化系統，使得我們可以在一 個樣品中同時純化 N2和 N2O 兩種氮移除過程中的重要產物，從而大幅提高了對於沉積物和缺氧水體的反硝化、厭氧氨氧化等識別能力和偵測能力。實驗室目前 掌握了測試除痕量氨氮之外其餘所有氮素的同位素；同時，通過靈活運用天然豐 度和人工標記穩定同位素示蹤手段，使得實驗室可以精確探討氮循環過程中所有 關鍵過程及其影響因素，從而對海洋氮庫的變化趨勢和生態響應

13、做出預測。 表 1. 實驗室已經成熟的方法列表 研究參數 研究方法 對象過程 優缺點 硝酸鹽氮、氧 同位素 細菌法+IRMS 化學法+IRMS 天然硝酸鹽氮、氧同位 素示蹤 硝化速率 準確度、精確度高， 氮、氧同位素偏差分別 0.2、0.4 氨基磺酸去除+ 細菌法+ IRMS 亞硝氧化速率 研究該過程唯一方 法，技術難度大 有機物碳氮同 位素 濕式消解法+細 菌法+ IRMS 固氮、不同形態氮吸收 速率 準確度高，需要樣品量 少，步驟繁瑣，技術難 度大 EA-IRMS 固氮、不同形態氮吸收 速率 操作簡單，所需樣品量 大 同時測定 N2、N2O 的氮 氧同位素 人工標記培養+ IRMS 厭氧氨

14、氧化、反硝化 操作難度大，計算複雜 近期近期研究成果研究成果 1 南海大氣硝氮沉降的來源示蹤南海大氣硝氮沉降的來源示蹤 工業革命以來，人為排放活性氮通量的日益增加，從而引發海洋生態系統潛 在的劇變，這一現象可能在邊緣海尤為顯著。南海是世界第二大邊緣海，同時也 是世界上人口密度最大的區域之一，瞭解南海大氣氮沉降的通量及其來源至關重 要。經由在南海東沙島冷、暖兩季的四次觀測結果（圖2）證實大氣氮沉降是南 海開闊海域最重要的外源氮輸入方式，其通量約為50 mmol N m-2 year-1，能夠支 持約15%的新生產力和緩解50%的CO2釋放量。根據分析其中硝酸鹽的穩定氮、 氧同位素組成的變化推斷不

15、同季節季風體系下其來源存在明顯的轉變：表現為在 冬季東北季風盛行時，大氣沉降中活性氮組分主要體現為源于亞洲大陸的人為活 動來源，其中煤燃燒產物占主導；而夏季時，可能以源自東南亞的生物焚燒產物和由熱帶氣旋引發(閃電合成)的 產物為主。此外，南海大氣氮沉降輸入的氮同 位素信號與生物固氮提供 的氮同位素端元相似 ， 難以從同位素的手段加以區分。 兩者的共同作用對南海次表層水體硝酸鹽氮同位素組成的降低產生重要影響。 圖 2 南海大氣硝酸鹽沉降相關參數分佈 2 上層海洋溫室氣體氧化亞氮原位產生及其潛在機制研究上層海洋溫室氣體氧化亞氮原位產生及其潛在機制研究 氧化亞氮（N2O）是一種具有強烈溫室效應（單分

16、子增溫潛能是 CO2的約 300 倍）和臭氧消耗能力的痕量氣體，具有顯著的氣候效應。全球海洋是大氣 N2O 的釋放源，然而由於對於海洋 N2O 產生機制的不清晰和釋放通量時空觀測 不足，導致其釋放通量評估還存在極大的不確定性。通過高垂直和水準解析度採 樣，利用穩定同位素標記示蹤技術、光腔衰蕩（CRDS）技術，並結合分子生物 學方法，我們在南中國海和西北太平洋系統開展了海氣介面 N2O 釋放通量調查 與水柱 N2O 產生機制研究，在寡營養鹽海域光區底部首度觀測到了由生物過程 誘導的 N2O 原位產生過程（圖 3）。並且，上層海洋雖然存在高豐度的氨氧化微 生物和活躍的氨氧化行為，但可能並不是 N2O 產生的主要途徑。這一發現對於 進一步深化理解海洋 N2O 產生機制以及模型估算全球海洋 N2O 釋放通量具有重 要的促進作用。 圖 3 南海與西北太平洋水柱 N2O 垂直分佈 3 沉積物同位素配對法的改良與新的沉積物氮過程探索沉積物同位素配對法的改良與新的沉積物氮過程探索 人為活動的加劇，氮肥的使用使環境中活性氮的源增多，而有 23%的氮肥最 終會通過河流、地下水等