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研究人员发现自然界将氮转化为植物养分的后备计划

2019-11-12 10:46:50 编辑: 来源:
导读 尽管氮对所有生物都是必不可少的,它占人体的3%,占地球大气的78%,但具有讽刺意味的是,植物和自然系统很难获取氮。大气氮不能直接用于大

尽管氮对所有生物都是必不可少的,它占人体的3%,占地球大气的78%,但具有讽刺意味的是,植物和自然系统很难获取氮。

大气氮不能直接用于大多数生物。在自然界中,土壤和水体中的特殊微生物通过称为固氮的过程将氮转化为氨(一种生命可以轻松获取的至关重要的氮形式)。在农业中,可以种植大豆和其他有利于固氮的豆类来恢复土壤肥力。

使依赖于此的植物和生态系统获得氮的过程中的另一个障碍是微生物氮“固定剂”中掺入了一种复杂的蛋白质,称为“固氮酶”,其中含有富含金属的核心。现有研究集中在含有特定金属钼的固氮酶上。

然而,在土壤中发现的钼极少,引起了人们对土地固氮的自然限制的关注。科学家们想知道,在人为干扰或人们日益寻求可耕地养活不断增长的人口之后,钼的稀缺对自然界恢复生态系统肥力的能力有何限制?

普林斯顿大学的研究人员已经发现证据,表明当钼缺乏时,其他金属也可以促进固氮,这表明该过程可能比以前认为的更具弹性,根据《美国国家科学院院刊》上的一项研究。研究人员在加拿大372英里(600公里)长的北方森林中工作,他们发现金属钒也可以催化生态系统规模的固氮,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素状况和肥力的理解进行了重大修订,”地球科学助理教授和普林斯顿环境研究所的张欣宁说。

她说:“我们需要更多地了解固氮在养分预算,循环和生物多样性方面的表现。” “这一发现的一个结果是,目前对固着进入北方森林的氮输入量的估计可能被大大低估了。这是我们了解森林生态系统养分需求的一个主要问题,目前森林生态系统是人类活动的重要汇碳。”

张的研究小组的博士后研究员,第一作者Romain Darnajoux解释说,这些发现证实了科学界长期以来存在的一个假设,即存在不同类型的固氮酶金属变体,以便生物体可以应对金属利用率的变化。研究人员发现,仅当环境钼含量较低时,钒基固氮作用才有效。

Darnajoux说:“当环境变化时,自然界似乎进化出备用方法来维持生态系统的肥力。” “每个氮循环步骤都涉及一种酶,该酶需要特定的微量金属才能起作用。钼和铁通常是科学研究的重点,因为它们被认为是固氮酶固氮酶中必不可少的。但是,基于钒的固氮酶也存在,但不幸地很大程度上忽略了该酶的氮输入。”

Darnajoux和Zhang与杜克大学的Nicolas Magain和Franc?ois Lutzoni以及魁北克舍布鲁克大学的Marie Renaudin和Jean-Philippe Bellenger一起工作。

研究人员的结果表明,目前对通过固着进入北方森林的氮输入的估计非常低,这将低估植物生长旺盛所需的氮。北方森林通过充当人为碳汇来帮助缓解气候变化。尽管这些北部森林的人来访者不及人口最稀少的大都会,但人类活动仍然可以通过大气中空气中充满氮和金属(例如钼和钒)的大气迁移,对森林的肥力产生重大影响。

张说:“人类活动大大改变了空气质量,甚至对偏远的生态系统的运作方式都可能产生深远的影响。” “这些发现凸显了空气污染在改变微量营养素和大量营养素动态方面的重要性。由于空气是全球共有物,因此金属与氮循环和空气污染之间的联系具有一些有趣的政策和管理方面。”

研究人员的发现可能有助于开发更精确的气候模型,该模型在模拟流经陆地,海洋和大气层的全球氮流量时并未明确包含有关钼或钒的信息。

Darnajoux和Zhang说,钒驱动固氮的重要性扩展到其他高纬度地区,最有可能出现温带和热带系统。他们在研究中发现,生态系统激活或失活钒氮固定所需的钼量阈值与跨不同生物群系的样品中固定氮的钼需求量非常相似。

研究人员将继续在北纬地区寻找钒基固氮剂。他们还把目光转向了离家较近的地区,开始研究新泽西州温带森林中的微量元素和常量营养素动态,并计划将其工作扩展到热带地区。


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