海洋異養細菌對無機氮吸收的研究

王秋璐，周燕遐，王江濤，袁澤軼

(1. 國家海洋信息中心, 天津 300171; 2. 中國海洋大學, 山東 青島 266100)

海洋異養細菌對無機氮吸收的研究

王秋璐1，周燕遐1，王江濤2，袁澤軼1

(1. 國家海洋信息中心, 天津 300171; 2. 中國海洋大學, 山東 青島 266100)

著眼于海洋異養細菌對無機氮的吸收研究，在不同的海區和河流中，通過對環境因素的分析和比較，發現不同環境影響因子作用下，異養細菌對無機氮吸收具有選擇性，同時也發現，這與異養細菌本身的生理特性也有一定關系。

海洋異養細菌，無機氮，選擇性吸收

傳統觀點認為，浮游植物吸收營養鹽進行光合作用生成有機物[2]。海水中的溶解有機物含量豐富，占總有機物的90%以上，海洋細菌利用溶解有機物轉化成自身的生物量迅速地生長繁殖，或者將有機物礦化分解成無機物，進行再循環生產[21]。細菌無疑是很重要的分解者，它們具有分解有機物的各種酶，吸收藻類分解過程中產生的溶解有機物，并通過代謝釋放無機物；后來隨著人們對海洋生產力進一步研究發現，其實際值往往與先前估計的值相背離，這時人們開始懷疑除了浮游植物是營養鹽的主要吸收者外，還存在另外的吸收者，它就是異養細菌。之后很多研究也證明，異養細菌不僅分解有機物釋放營養鹽，同時也吸收利用營養鹽。在營養鹽含量很低的大洋水域（初級生產力和細菌數量較低），細菌可吸收的溶解有機物很少，這時就可能與浮游植物競爭利用營養鹽。Eppley等人 (1977)[3]也發現在南太平洋中部無機氮的吸收速率與14CO2固定速率相比要高，這種偏差主要是由于異養細菌對氮鹽的吸收造成。

由此，人們開始注意到海洋中除浮游植物外的另一部分粒徑＜1 μm的微微型浮游生物，其中包括了自養型藍細菌，原綠球藻和異養細菌。在開闊的大洋中，它們的數量甚至超過了浮游植物的總和，并且認為它們對初級生產力的貢獻占到了50%左右[16]。80年代中后期，大量研究工作集中到了異養細菌對無機氮吸收研究上。但是由于當時的技術條件限制，人們還無法真正把異養細菌和微微型的自養生物分離開，單獨對其吸收動力學進行研究。所以觀點上出現了明顯的分歧：一部份研究結果表明在海洋環境中＜ 1 μm的浮游生物對氨氮的吸收是非常少的 (＜ 20%)[5,4,22]。而另外的一些研究表明＜ 1 μm的浮游生物對氨氮(N-NH4)的吸收占到了總吸收的50%以上[23]。但當時對硝氮 (N-NO3) 的吸收卻得到了共識，認為異養細菌對硝氮的吸收可以忽略。

隨著研究的進一步加深，技術方法的改進，15N同位素添加培養方法和粒徑分離方法的引入。人們可以采用實驗室培養方法，先通過粒徑分離技術，將粒徑＜ 1 μm的浮游生物（主要是異養細菌）分離出來，然后添加含有15N同位素的氮源（N-NO3，N-NH4，溶解自由氨基酸 (DFAA)，尿素等）進行培養，比較異養細菌對各種營養物的吸收情況[6,24,11,14]。然而這種方法仍然存在問題，主要是因為微微型的浮游植物與細菌在粒徑大小上有重疊，從而無法真正的將其分離。后來Wheeler & Kirchman (1986)[25]使用了抗生素（主要是放線酮和氯霉素）抑制蛋白質的合成，研究發現幾乎所有的氨基酸都被原核生物所利用,真核生物和原核生物都對氨鹽有吸收，其中78%的氨鹽是被原核生物吸收的,而這其中的一大部分又是被異養細菌利用。所以抗生素的使用成為對異養細菌活力進行估計的有效方法。一般認為，基質中DFAA含量高低與異養細菌對N-NH4吸收或排出有關：細菌首先利用氨基酸，當DFAA濃度較高時，會抑制細菌吸收N-NH4的酶；且只有滿足其本身生物利用之后才開始分解氨基酸產生N-NH4。而當DFAA濃度較低時，利用N-NH4有關的酶不被抑制，異養細菌就會吸收 N-NH4。Wayne等人研究發現異養細菌偏愛的氮源主要是 DFAA和N-NH4，對N-NO3和尿素的吸收相對較少[26]，然而不同的海區，不同的季節，結果往往又有不同[20]。有一些研究已經證明異養細菌對N-NO3的吸收比例也是相當高的[8,19]?？梢哉J為，有關異養細菌對氮源利用尚須進一步研究，特別是有關異養細菌群落生活的基質組分和細菌的營養生理學的研究最為重要。

隨著國外眾多學者和研究人員對異養細菌無機氮吸收研究的關注，異養細菌不再單一的扮演礦化分解者，它參加到了整個氮循環過程中而直接影響了氮的源和匯[11,12]，尤其是異養細菌對N-NO3的吸收直接影響了對新生產力的估算[13]，使我們對以往方法：利用碳氮比例，并已知碳的吸收量來計算氮的吸收速率產生質疑，結果往往會低估了氮源的吸收。此外，研究還表明，異養細菌對氮源吸收還會影響海水中溶解有機碳的利用、溶解有機碳與顆粒有機碳之間垂直輸送，但是它們之間的內在機制至今還不是很清楚。

1 不同海區和河流中異養細菌對無機氮的吸收

針對不同海區中氮源的吸收研究，90年代前期的大量工作聚焦在異養細菌如何利用有機和無機氮問題上。研究表明，某一海區的生產力高，溶解有機氮（DON，主要指DFAA）含量豐富時，異養細菌主要作為分解者利用有機物，并將其礦化分解成無機物。而當所研究的海區是貧營養海區或者處于異養狀態時，DFAA的含量不能滿足異養細菌對N源的需要時，異養細菌會更偏愛的吸收N-NH4，有時也會選擇溶解的結合態氨基酸 (DCAA)，而N-NO3則被認為是最不喜歡的N源。80年代后期，觀點出現了分歧：Horrigan[8]等人發現了異養細菌對N-NO3的吸收，這一發現也被后來Kirchman (1991)[28]等人研究證明：N-NH4，N-NO3和尿素都被＜ 0.8 μm的異養細菌所吸收，然而在kirchman (1992)[10]另外的研究中卻發現：異養細菌偏愛的無機氮源是N-NH4而不是N-NO3，這與先前Wheeler & Kirchman (1986)研究相符：細菌吸收的N-NH4占到其總無機氮吸收50%以上。除此以外，在南極水域的研究同樣發現，細菌對N-NH4的吸收非常重要尤其是在春季的水華時期[29]。但是為什么會選擇吸收N-NH4,而不是其他形態的無機氮源 (N-NO3,N-NO2)，至今沒有明確的說法。在各個海區包括大洋和河口區域各個形態的無機氮含量和分布不同的情況下是否會有相同的結果成為了人們關注的焦點，由此研究不斷進行。

1.1 河流，河口區異養細菌對無機氮的吸收

河口區是典型的異養環境，異養呼吸大于初級生產。在這一區域內，異養細菌對無機氮吸收成為了非常重要的一部分，但吸收比例應環境而不同。Hoch & Kirchman (1995)[7]的研究認為通常在河口區上游，當DFAA相對含量較高時，異養細菌對N-NH4吸收是相當低的（平均占到總N-NH4吸收的5% ～ 10%），然而在河口區下游和沿岸附近或DFAA含量較低的大洋水中，對N-NH4的吸收是較高的。例如，在Delaware河流域，1988年的調查顯示細菌對N-NH4吸收在河口的下游是最高的 (10% ～ 25%)，然而在鹽度＜ 20‰的內河N-NH4吸收才不到5%。同樣的1990年，細菌對N-NH4的吸收在沿岸附近和河流入?？谔幤骄嫉搅?15% ～ 35%，尤其是在夏季當 DFAA的濃度很低時，細菌所利用的氮源 50%是由 N-NH4支持的[7]。Wheeler&Kirchman(1986)[25]在Georgia和Gulf海灣的研究中發現DFAA的吸收達到58%以上, N-NH4吸收達25%以上，而其他形式的氮源幾乎可以忽略。Middelburg&Nieuwenhuize對法國的Loire河口進行了研究表明：在夜間細菌對N-NH4的吸收占到了90%以上。在最近的幾十年中，由于人為的污水排放，河流和河口區域的硝酸鹽濃度急劇上升。有研究已經表明：高濃度的硝酸鹽含量很有可能引起了細菌對其吸收，盡管這也許并不是細菌偏愛的氮源。例如，在Hudson河口區連續做了幾個月的培養實驗，微生物對N-NO3的吸收是非常大量的。在英國的Thames河口區研究發現，冬季無機氮的吸收主要發生在河口區的上游，其中在內河流域N-NO3成為了主要的被吸收成分，這與該流域f值（f=新生產力/總生產力）相一致，高達06 ～ 0.9[18]。所以對不同的河流區域內無機氮吸收研究是非常有意義的。通過人們已經對世界的許多河流和河口區進行的調查比較分析可以看出：在西歐的河流區域中 (Thames，Hudson) 異養細菌顯示了對N-NO3的吸收一定程度的偏愛；然而在北美的河流中 (Delaware，Chesapeake) 異養細菌更加偏愛N-NH4。所以一般的認為當研究的區域內流入的有機質有較高的C ： N比例，較高的細菌周轉速率，以及周圍環境中硝酸鹽的濃度較高時，異養細菌更多的選擇了N-NO3的吸收。所以對于氮源的吸收偏愛，后來人們喜歡用RPI值表示：[17]

其中：RPIx代表了異養細菌對某種氮源的偏愛指數，Ux表示這種氮源的吸收速率，X表示這種氮源的濃度。當把各個氮源濃度固定在同一水平時，異養細菌對氮源的偏愛次序為氨基酸＞氨氮，硝氮和尿素是幾乎可以被忽略的[25]。然而當使用RPI值來估計氮源優先選擇時一定要謹慎，原因可能是這一比值只是一個簡單的數理計算過程很難用于解釋異養細菌生理上的選擇關系，尤其是在對N-NH4，DFAA吸收時與細菌群落生理特性有密切的關系。

1.2 大洋水中異養細菌對無機氮的吸收

表1 世界主要海區中異養細菌對無機氮的吸收研究Tab.1 Research of the assimilation of inorganic nitrogen by marine heterobacteria in global sea areas

從上表可以看出，在世界各大洋海區異養細菌對N-NH4和N-NO3的吸收比例也是不同的，Kirchman（1998）[14]指出，雖然異養細菌對N-NH4和N-NO3的利用比例幾乎相當，但在所選的站位同時測定兩者的吸收速率時發現，異養細菌對N-NO3吸收大于N-NH4的吸收。細菌對N-NH4的吸收速率與細菌的生物量及DFAA的周轉速率之間有很好的相關性，但對N-NO3吸收卻幾乎不與任何生物參數有關系。Kirchman（1994）[9]發現在北大西洋春季水華時，異養細菌利用的N-NO3占到總吸收N-NO3的4 ～ 14%，但始終低于在北極太平洋地區異養細菌對N-NO3利用的保守估計。研究發現這主要受到了碳源和能量的限制[15]，細菌同化吸收 N-NO3被認為是很奢侈的行為[10]，所以藻類和細菌往往更偏愛選擇吸收需要能量較低的N-NH4。然而，在北極太平洋地區出現的相反結果，主要是由該海區的特點決定的，水溫低，硝酸鹽的含量高，葉綠素濃度低，硝酸鹽支持了細菌的生長。但可惜的是作者只給出了異養細菌對 N-NH4和 N-NO3的吸收占到各自總吸收的比例，并沒有給出細菌利用的DIN中N-NH4和N-NO3的比例。Allen等人 (2002)[1]對Barents海（位于歐洲北岸）進行了研究發現，從巴倫支海到北極結冰區邊緣 (MIZ)，細菌對總DIN的吸收比例顯著增加10% ～ 40%，異養細菌對N-NH4和N-NO3的利用分別占各自總吸收的12% ～ 40%，16%～ 40%，其中調查的15個站位中12個站位N-NO3這一比例高于N-NH4， 但是從作者分析的不同營養鹽吸收與總 DIN吸收的關系中，我們卻發現，雖然異養細菌對 N-NO3的吸收占總 N-NO3吸收的比例高于N-NH4，但異養細菌對N-NO3的吸收占細菌總DIN吸收的比例在15個站位中只有4個是高于N-NH4的，并且主要位于臨近MIZ區的中層和底層。所以說，在研究異養細菌對DIN的吸收問題時，我們可以從兩個方向進行，一個是異養細菌與浮游植物之間對DIN的吸收比例；另一個是異養細菌所利用的DIN中不同氮源的吸收比例，從而可以更加全面的理解這一問題。

2 結 語

異養細菌對無機氮的吸收問題受到越來越多研究者的關注，世界范圍內的不同海區和河流的調查研究正在進行。目前我國的近海研究主要還是集中在藻類等浮游植物對營養鹽的吸收上，對異養細菌的關注還很少。因此這一方向將會有廣闊的發展前途，對我國的近海調查研究起到非常重要的作用。

[1] Allen A E, Howard-Jones M H, Booth M G, et al. Importance of heterotrophic bacterial assimilation of ammonium and nitrate in the Barents Sea during summer [J]. Journal of Marine Systems, 2002, 38： 93– 108.

[2] Dugdale R C, Goering J J. Uptake of new and regenerated forms of nitrogen in primary productivity [J]. Limnol Oceanogr, 1967, 12： 196-206.

[3] Eppley R W, Sharp J H, Renger E H, et al. Nitrogen assimilation by phytoplankton and other microorganisms in the surface waters of the central North Pacific ocean [J]. Mar. Biol,1977, 39： 111-120.

[4] Glibert P M. Regional studies of daily, seasonal and size fraction variability in ammonium remineralization [J]. Mar Biol,1982, 70： 209-222.

[5] Harrison W G. Experimental measurements of nitrogen remineralization in coastal waters [J]. Limnol Oceanogr, 1978, 23： 684-694.

[6] Harrison W G, Laura J E. Inorganic nitrogen uptake by marine picoplankton： Evidence for size partitioning [J]. Limnol Oceanogr,1988, 33(3)：468-475.

[7] Hoch M P, Kirchman D L. Ammonium uptake by heterotrophic bacteria in the Delaware estuary and adjacent coastal waters [J]. Limnol Oceanogr,1995, 40(5)： 886-897.

[8] Horrigan S G, Hagstr?m A, Koike I, et al. Inorganic nitrogen utilization by assemblages of marine bacteria in seawater culture [J]. Mar Ecol Prog Ser, 1988, 50： 147–150.

[9] Kirchman D L, Ducklow H W, MacCathy J J, et al. Biomass and nitrogen uptake by heterotrophic bacteria during the spring phytoplankton bloom in the North Atlantic Ocean [J]. Deep-Sea Res.-Part I, 1994, 41 (5/6)： 879–895.

[10] Kirchman D L, Moss J, Keil R G. NO3 uptake by heterotrophic bacteria： does it change the f-ratio?[J]. Arch Hydrobiol, 1992, 37： 129–138.

[11] Kirchman D L. The uptake of inorganic nutrients by heterotrophic bacteria [J]. Microb Ecol, 1994, 28： 255-271.

[12] Kirchman D L. Incorporation of thymadine and leucine in the subarctic Pacific： application to estimating bacterial production [J]. Mar Ecol Prog Ser,1992, 82： 301-309.

[13] Kirchman D L. Uptake and regeneration of inorganic nutrients by marine heterotrophic bacteria in Wiley, New York [J]. Microbial Ecology of the Oceans, 2000： 261-288.

[14] Kirchman D L, Wheeler P A. Uptake of ammonium and nitrate by heterotrophic bacteria and phytoplankton in the sub-Arctic Pacific [J]. Deep-Sea Res, 1998, 45： 347-365.

[15] Kirchman D L, Richard G. K. Carbon limitation of ammonium uptake by heterotrophic bacteria in the subarctic Pacific [J]. Limnol Oceanogr, 1990,35(6)： 1258-1266.

[16] Luis Tupas, Isao Koike. Amino acid and ammonium utilization by heterotrophic marine bacteria grown in enriched seawater [J]. Limnol Oceanogr,1990, 35(5)： 1145-l 155.

[17] McCarthy J J, Taylor W R, Taft J L. Nitrogenous nutrition of the plankton in the Chesapeake Bay. I. Nutrient availability and phytoplankton preferences [J]. Limnology and Oceanography, 1977, 22： 996-1011.

[18] Middelburg J J, Nieuwenhuize J. Nitrogen uptake by heterotrophic bacteria and phytoplankton in the nitrate-rich Thames estuary [J]. Mar Ecol Prog Ser, 2000, 203： 13-21.

[19] Parker R R, Sibert J, Brown T J. Inhibition of primary productivity through heterotrophic competition for nitrate in a stratified estuary [J]. Fish Res Board Can, 1975, 32： 72– 77.

[20] Wheeler P A, Kirchman D L, Landry M R, et al. Diel periodicity in ammonium uptake and regeneration in the oceanic subarctic Pacific：Implications for interactions in microbial food webs [J]. Limnol Oceanogr, 1989, 34(6)： 1025-1033.

[21] Pomeroy L R. The ocean’s food web, a changing paradigm [J]. Bio Science, 1974, 24： 499-504.

[22] Probyn T A. Nitrogen uptake by size-fractionated phytoplankton populations in the southem Benguela upwelling system [J]. Mar Ecol Prog Ser,1985, 22： 249-258.

[23] Probyn T A, Painting S J. Nitrogen uptake by size-fractionated phytoplankton populations in Antarctic surface waters [J]. Limnol Oceanogr, 1985,30： 1327-1332.

[24] Probyn T A. Size-fractionated measurements of nitrogen uptake in aged upwelled waters： implications for pelagic food webs [J]. Limnol Oceanogr,1990, 35： 202-210.

[25] Wheeler P A, Kirchman D L. Utilization of inorganic and organic nitrogen by bacteria in marine systems [J]. Limnol Oceanogr, 1986, 31(5)：998-1009.

[26] Gardner W S, Chandler J F, Laird A G. Organic nitrogen mineralization and substrate limitation of bacteria in Lake Michigan [J]. Limnol Oceanogr,1989, 34(2)： 478-485.

[27] Kirchman D L, Suzuki Y, Garside G, et al. High turnover rates of dissolved organic carbon during a spring phytoplankton bloom [J]. Nature, 1991,352： 612-614.

[28] Tupas L M, Koike I, Karl D M, et al. Nitrogen metabolism by heterotrophic bacteria assemblages in Antarctic coastal waters [J]. Polar Biol, 1994,14： 195-204.

Research of the assimilation of inorganic nitrogen by marine heterobacteria

WANG Qiu-lu1，ZHOU Yan-xia1，WANG Jiang-tao2，YUAN Ze-yi1

(1. National Marine Data and Information Center, Tianjin 300171, China; 2. Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The problem of the uptake of inorganic nitrogen by heterobacteria is discussed. The selectivity of DIN uptake by heterobacteria is discovered by the comparison of different sea-zone and estuaries. At the same time, the factors are pointed out.

marine heterobacteria; inorganic nitrogen(DIN); selectively assimilate

Q935

A

1001-6932(2010)02-0231-05

2009-08-20；

2009-09-17

王秋璐 (1982－)，女，碩士，助理工程師。主要從事海洋生態化學數據處理方面研究。電子郵箱：shelleyqing@hotmail.com