炭素を利用して外洋の新たな窒素源を発見(Scientists use carbon to detect a new nitrogen source in the open ocean)

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2022-11-17 ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)

科学者は、これまで仮説とされていた表層海域での窒素固定を検出した。
研究チームは、新しい研究成果で、光合成を行わない別の種類の窒素固定生物が海洋粒子と結びつき、海洋の一部の場所で窒素を固定していることを明らかにした。
30年以上前から、科学者達は、この代替クラスの窒素固定生物が表層海洋に広く存在していることを知っていましたが、今まで、それらが実際に窒素を固定できるという直接的な証拠がなかった。
研究者たちは、ナノSIMS装置を使って、海洋粒子上の個々の細胞を局在化することができたので、それを発見した。
新しい研究で、チームメンバーは、炭素(C)と窒素(N)を組み合わせた珍しい安定同位体標識を使って、NとCの両方を取り込む生物(光合成を行うN固定シアノバクテリア)とNだけを取り込む生物(非シアノバクテリアN固定生物)を分離できるようにした。
LLNLのnanoSIMSは、CとNの希少同位体を単細胞レベルで定量できる装置で、標識したN2ガスとCO2とともにサンプルを海中で培養すると、仮説のN固定生物を検出することができた。
今回発見された生物は光合成を行わないが、固定した窒素は、Cを固定する生物に利用される可能性がある。また、これらの窒素固定生物が発見された海洋デトリタスの沈降は、海洋における自然な炭素固定メカニズムの主要なものの一つである。

<関連情報>

北太平洋亜熱帯ジャイアにおける粒子付着型非シアノバクテリア性ジアゾ栄養細菌による窒素固定を示す細胞特異的な測定結果 Cell-specific measurements show nitrogen fixation by particle-attached putative non-cyanobacterial diazotrophs in the North Pacific Subtropical Gyre

Katie J. Harding,Kendra A. Turk-Kubo,Esther Wing Kwan Mak,Peter K. Weber,Xavier Mayali & Jonathan P. Zehr
Nature Communications  Published:15 November 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-34585-y

figure 1

Abstract

Biological nitrogen fixation is a major important source of nitrogen for low-nutrient surface oceanic waters. Nitrogen-fixing (diazotrophic) cyanobacteria are believed to be the primary contributors to this process, but the contribution of non-cyanobacterial diazotrophic organisms in oxygenated surface water, while hypothesized to be important, has yet to be demonstrated. In this study, we used simultaneous 15N-dinitrogen and 13C-bicarbonate incubations combined with nanoscale secondary ion mass spectrometry analysis to screen tens of thousands of mostly particle-associated, cell-like regions of interest collected from the North Pacific Subtropical Gyre. These dual isotope incubations allow us to distinguish between non-cyanobacterial and cyanobacterial nitrogen-fixing microorganisms and to measure putative cell-specific nitrogen fixation rates. With this approach, we detect nitrogen fixation by putative non-cyanobacterial diazotrophs in the oxygenated surface ocean, which are associated with organic-rich particles (<210 µm size fraction) at two out of seven locations sampled. When present, up to 4.1% of the analyzed particles contain at least one active putative non-cyanobacterial diazotroph. The putative non-cyanobacterial diazotroph nitrogen fixation rates (0.76 ± 1.60 fmol N cell−1 d−1) suggest that these organisms are capable of fixing dinitrogen in oxygenated surface water, at least when attached to particles, and may contribute to oceanic nitrogen fixation.

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