把氮转化成植物养分，自然界有后招

普林斯顿大学的研究人员发现，在金属钒催化下，生态系统中可以进行固氮作用。

虽然氮是所有生物的必需元素——占到了人体的3%和地球大气的78%，但奇怪的是，植物和自然系统很难获取它。大多数生物不能直接利用大气中的氮。土壤和水体中的特殊微生物通过固氮过程将氮转化为更容易吸收的氨。在农业上，种植能够促进固氮作用的大豆和其他豆科植物可以恢复土壤肥力。

固氮作用与复杂蛋白质固氮酶有关。现有研究主要集中于含钼固氮酶。然而，土壤中的钼含量极低，这引起了人们对耕地固氮自然极限的关注。科学家们一直希望弄明白，在人为干扰下，或者开垦更多耕地养活日益增长的人口时，钼缺乏会对大自然恢复生态系统肥力的能力造成何种限制。

美国普林斯顿大学的研究人员在《美国国家科学院院刊》发文称，研究结果表明，在钼缺乏的情况下，其他金属也可以促进固氮作用，这说明固氮过程可能比之前的认识更有“弹性”：在加拿大一段372英里的北方森林中，金属钒促进了生态系统的固氮过程，这对自然氮输入有限的北部地区非常关键。

“这项研究促使我们修正了对微量营养素控制生态系统氮状态和肥力的观点。”资深作者、地球科学助理教授、普林斯顿环境研究所的Xinning Zhang说：“我们需要更多地了解固氮在营养预算、循环和生物多样性方面的表现形式。这项研究发现的重要结论是，我们可能大大低估了目前通过固氮作用向北方森林输入的氮量。”

Xinning Zhang研究组的博士后研究员Romain Darnajoux是文章的第一作者，他解释说，这些发现证实了科学界长期以来的一个假设，即存在不同的固氮酶金属变体，以应对金属有效性的变化。研究人员认为，以钒为基础的固氮作用只有在环境中钼含量较低时才具有实质性意义。Darnajoux说:“在环境多变的情况下，大自然似乎进化出了后备方法来维持生态系统的肥力。每一个氮循环的步骤都涉及一种酶，这种酶需要特定的微量金属才能起作用。钼和铁被认为是固氮酶的重要组成部分，是目前科学研究的重点。然而，一种以钒为基础的固氮酶也存在，但不幸的是，这种酶的氮输入在很大程度上被忽视了。”

这项新发现有助于科学家们开发更精确、完善的气候模型。研究人员认为，钒驱动固氮的重要性延伸到了其他高纬度地区，并很可能延伸到温带和热带系统。他们将继续在北纬地区寻找以钒为基础的固氮作用，并计划将目光转向新泽西州的温带森林地区和热带系统。

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编译：全津莹 

审稿：阿淼 

责编：雷鑫宇

期刊来源：《美国国家科学院院刊》

期刊编号：0027-8424

原文链接：

https://phys.org/news/2019-11-nature-backup-nitrogen-nutrients.html

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