2020年2月18日，海洋與地球學院張瑤教授等多個課題組在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)（《美國科學院院刊》）合作發表題為“Nitrifier adaptation to low energy flux controls inventory of reduced nitrogen in the dark ocean”的研究論文，揭示了深海兩步硝化過程的耦合機制，量化了深海硝化過程對全球海洋碳循環的貢獻。
深海（水深大于200米的黑暗海洋）是海洋的主體，是海洋有機碳礦化和長期儲存的主要場所，在地球物質循環中起著重要的作用。然而，迄今我們對深海系統物質與能量循環過程的研究還相對缺乏。
浮游植物在表層獲取光能固定CO2，形成顆粒有機碳（POC）往下沉降，在深海再礦化后生成銨（NH4+），從而為深海化能自養細菌/古菌提供了能量來源。因此，氨氧化古菌和亞硝氧化細菌所介導的兩步硝化過程是實現光能傳遞到深海再被利用的重要途徑，是深海重要的供能過程，支撐了海洋“黑暗固碳”——不依賴于光合作用的化能自養固碳，為深海生物圈提供了“新”的有機質，同時積累硝氮。由于亞硝氧化菌群研究的長期滯后，氨氧化和亞硝氧化功能群在深海的協作關系始終不明了，因此國際上對深海硝化菌群支撐的碳（C）?氮（N）耦合機理（定性）的理解仍極為有限，對C?N計量學關系（定量）的準確估算仍是空白。
該研究工作結合多組學分析、生理學實驗、現場原位速率及動力學觀測和模擬，以及生態系統模型，闡釋了氨氧化古菌和亞硝氧化細菌顯著差異的代謝策略，及兩步氧化過程耦合、硝化與黑暗固碳耦合的生理生態學機制，建立了硝化菌群支撐的C?N、物質與能量轉換的計量學關系，量化了深海硝化過程對深海生物圈及全球海洋碳循環的貢獻和影響。該工作為深海物質與能量循環研究提供了新的參數，對深入認識深海生物地球化學過程具有重要意義。
圖（A）氨氧化古菌和亞硝氧化細菌介導的氧化過程與黑暗固碳的關系；（B）表層至深海兩步硝化過程熱動力學模擬；（C）海洋（深藍色圖標所示，其他顏色表示來自土壤、淡水等其他生態系統）氨氧化和亞硝氧化菌群隨深度逐漸升高的無機氮底物親和力。
該研究工作由我院微生物海洋學、海洋碳循環、氮循環等多個課題組，聯合美國華盛頓大學、南加州大學、奧地利維也納大學多個團隊合作完成，張瑤教授為論文第一作者及通訊作者。該研究得到了科技部國家重點研發計劃、國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金重大研究計劃、創新研究群體等多個項目的資助。
論文來源：Yao Zhang, Wei Qin, Lei Hou, Emily J. Zakem, Xianhui Wan, ZihaoZhao, Li Liu, Kristopher A. Hunt, Nianzhi Jiao, Shuh-Ji Kao, Kai Tang, Xiabing Xie, Jiaming Shen, Yufang Li, Mingming Chen, Xiaofeng Dai, Chang Liu, Wenchao Deng, Minhan Dai, Anitra E. Ingalls, David A. Stahl, and Gerhard J. Herndl. Nitrifier adaptation to low energy flux controls inventory of reduced nitrogen in the dark ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020, DOI: 10.1073/pnas.1912367117.
全文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/02/14/1912367117
