氮气占地球大气约78%。生产氮素化肥的工厂以及闪电作用可以固氮并产生生物合成氨基酸的基本原料——氨。比较而言，自然界通过固氮微生物进行的生物固氮更为重要，提高了生物生长率。植物和微生物固碳产生的有机碳，需要氨才能合成氨基酸和蛋白质，并实现细胞快速增殖。代表性的固氮微生物包括与植物共生的根瘤菌、固氮螺菌等，以及一些水生/海洋蓝藻。这些固氮微生物的固氮酶是由两种蛋白质组成：铁蛋白和钼铁蛋白。它们同时存在时，消耗16个ATP才能完成固氮。通常在固氮微生物在高效吸收二氧化碳的植物和藻类中特别丰富，利用将固碳产生的有机碳转化成氨基酸和蛋白质。在黑暗的深海是否也需要固氮微生物呢？传统观点认为不可能，因为从海洋表面大量输入了大量有机氮，会被降解循环再利用。然而，在深海大陆架等可燃冰埋藏区和冷泉渗漏区，无机碳源十分丰富，大量二氧化碳、甲烷和烷烃被微生物吸收利用。同样的情况出现了，大量的无机碳被转化成有机碳后，面临氨的相对匮乏，无法快速合成蛋白质。据此推测，深海局部高通量无机碳源的生物吸收转化必然需要固氮微生物。
近日，自然资源部第三海洋研究所董西洋课题组联合清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院王勇课题组以及中山大学、中科院深海科学与工程研究所、澳大利亚莫纳什大学、加拿大卡尔加里大学等科研机构，利用全球11个不同冷泉站点的宏基因组和宏转录组，发现了冷泉沉积物中存在着系统发育多样的固氮酶基因（图1）。除了主要微生物类群甲烷厌氧氧化菌和硫还原菌自身携带有完整的固氮酶基因，还发现了5个候选门(Altarchaeia, Omnitrophota, FCPU426, Caldatribacteriota和UBA6262)的细菌也具有固氮潜能，拓展了固氮微生物类群的多样性。通过对新陈代谢方式的预测，这些微生物吸收无机碳和降解烷烃的同时，也在不断地消耗ATP，进行高效的固氮过程（图2）。正是这些固氮微生物的存在，促成了深海冷泉的微生物快速增殖并滋养一些无脊椎生物，使深海冷泉周边发展成为“深海荒漠中的一片绿洲”。综上，蕴含大量可燃冰资源的深海冷泉可能是地球上第三个被发现的进行大规模固氮生态环境，为深海生态系统提供大量有机质。此外，当可燃冰失稳释放出大量的甲烷气体时，深海水体缺失固氮菌将会影响深海甲烷氧化菌的甲烷吸收效率。因此，研究冷泉固氮菌的发现不仅与全球气候变化息息相关，也为评估可燃冰开采的生态影响提供了科学依据。
图1 冷泉沉积物固氮酶铁蛋白基因nifH的系统发育树。nifH基因被分为九大类别，涵盖典型和新型固氮酶及尚属未知功能的类固氮酶。
图2 部分冷泉固氮微生物的关键代谢过程。从a到d分别涉及甲烷厌氧氧化、硫酸盐还原、产甲烷、非甲烷烷烃厌氧氧化等固氮功能过程。
该研究成果以“深海冷泉沉积物中存在系统进化和催化能力多样的固氮微生物”（Phylogenetically and catabolically diverse diazotrophs reside in deep-sea cold seep sediments）为题发表在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
自然资源部第三海洋研究所董西洋研究员和博士后章楚雯为本文共同第一作者，董西洋研究员和清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院王勇教授为本文通讯作者。上述成果受到国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32503-w
文：王勇
图：董西洋
编辑：戴雨静
审核：林洲璐
