氮元素的奇幻漂流
作者：鄭俊強 姜萍（中國科學院瀋陽應用生態研究所）
氮，是我們每天必攝入的營養物質，它以我們熟知的氨基酸形式存在於蛋白質之中，如我們餐桌上常見的雞蛋、牛奶、豆奶、肉類等均含有豐富的氮。可是，這些蛋白質中的氮元素又是從何而來呢？
微生物造就循環之旅
在我們腳下的土壤中存活著許多我們用肉眼看不到的微小生命體，科學家們把它們稱為微生物；在我們人類出現前，這些微生物已在地球上繁衍生息了數億年，它們當中的大多數靠取食腐爛的動植物屍體存活，也有一些棲息在活的動植物體內。雖然，它們個體微小，但是數量卻很驚人，小小的一捧土壤中就有上億個微生物（圖1），因此，它們的生命活動不容小覷。土壤中的碳、氮、磷等化學元素的轉化都是由它們來完成的，從這一點來講，土壤微生物可以說是地球工程師。
圖1 土壤顆粒表面附著的微生物（電子顯微鏡放大）
氮是動植物生長的必需營養元素，它主要以氣態形式存在於大氣中，要經過三個過程，即生物固氮過程、硝化過程和反硝化過程, 才能完成它的輪迴，並為植物根系吸收利用，然後，再供給動物和人類（圖2）；上述的三個過程均是由微生物完成的。
圖2 氮循環示意圖
第一段旅程：氮氣分子變成氨基酸和蛋白質
大氣中存儲著豐富的氣態氮分子，但遺憾的是這些氮分子是惰性的，植物和動物自身不能直接利用；只有在微生物與植物協作下，才能將這些惰性氮氣轉變為生物可利用的活性氮，進入植物體內，轉變為氨基酸和蛋白質，如大豆和花生；參與這個過程的微生物叫固氮菌，這個過程也被稱之為固氮作用。一般而言，固氮菌可分為三大類群，即自生固氮菌、共生固氮菌和內生固氮菌。
自生固氮菌是指那些在土壤中能夠獨立進行固氮作用的細菌。因為固氮菌的固氮酶對氧分子極為敏感，其活性的發揮必須在無氧條件下進行。自生固氮菌歷經數億萬年，進化出了一套固氮酶的防氧保護機制，能夠在進行有氧生活的同時固定空氣中的氮。這些固氮菌保持很強的呼吸活性，藉以維持細胞質內固氮酶周圍的低氧環境；另外，它們的細胞中還含有一種鐵硫蛋白，這種蛋白能與固氮酶結合，增加後者的穩定性。除此之外，自生固氮菌的細胞壁外層有一薄層莢膜或粘質，也能夠阻礙氧氣分子向細胞內擴散。
一些被稱為根瘤菌的桿狀細菌能與豆科植物共生，在豆科植物的細根中形成根瘤並固定空氣中的氮氣，供給豆科植物氮營養元素，因此營養學家們常常建議我們多食用豆類，滿足人體對蛋白質的需求。這類根瘤菌能促使豆科植物根系異常增生，而且這些小傢伙能以體表的鞭毛運動，主動尋找豆科植物，從豆科植物根毛侵入根內形成根瘤（圖3），並在根瘤內轉變為分枝的多態細胞，我們稱之為類菌體。
圖3 根瘤與根瘤菌
另外一些非豆科植物體內也存在一些具有固氮能力的細菌，這些植物內生固氮菌通常能定殖在健康植物體內，與宿主植物進行聯合固氮，這些多為土壤桿菌屬，能夠通過植物根系的傷口入侵多種雙子葉植物和裸子植物，致使植物細胞轉化為異常增生的腫瘤細胞，產生根癌、毛根或桿癭等。
第二段旅程： 蛋白質蛻變為硝態氮
植物和動物死亡後，體內的蛋白質會被微生物降解為氨態氮，氨態氮經由硝化作用變為硝態氮。硝化作用可分為兩個階段：氨態氮氧化為亞硝態氮的氨氧化階段，亞硝態氮氧化為硝態氮的亞硝酸鹽氧化階段；其中氨氧化作用,也被稱為亞硝化作用, 是硝化作用的第一步, 同時也是氮循環的限速步驟, 對全球氮循環起決定作用。
圖4. 蛋白質降解
一百多年來，人們普遍認為土壤中的氨氧化主要是由一些化能自養型的變形菌—即氨氧化細菌催化完成的，主要包括亞硝化單胞菌、亞硝化球菌、亞硝化螺菌和亞硝酸葉菌等。
圖5. 氨氧化
在土壤中, 目前所知的自養氨氧化細菌分別屬於亞硝化單胞菌屬和亞硝化球菌屬, 是β-變形菌亞綱的一個單源進化簇，有別于海洋中的氨氧化細菌。自養型氨氧化細菌很難在實驗室內被分離培養，科學家們只能藉助於微生物分子生態學方法，通過解碼16SrRNA基因或氨單加氧酶編碼基因來推測其在生態系統中的分布和數量。
在2004年前後，對於氨氧化微生物認識發生了轉變，科學家們利用一種新進發明的宏基因組學技術發現，海洋中生活的一些古菌的基因組中含有類似細菌編碼氨單加氧酶的基因，而後2005年，科學家們又從美國西雅圖的水族館海水中分離培養到一株氨氧化古菌，徹底顛覆了人們對氨氧化微生物的認識。
2006年，來自挪威卑爾根大學的雷寧格博士和斯蓋爾博教授在英國《自然》雜誌上報道了它們的研究發現，土壤中具有氨氧化功能的古菌數量可達氨氧化細菌的3000倍。緊隨其後，眾多研究證實氨氧化古菌廣泛分布於包括陸地、海洋和淡水湖泊中, 並且個體數量遠高於氨氧化細菌。
第三段旅程：硝態氮又變為氮氣
反硝化作用顧名思義是與硝化作用相反的氮轉化過程，是硝態氮還原為氣體氮素的過程。
反硝化作用將硝酸鹽還原為氣態產物, 是土壤中氮元素輪迴的重要環節。這個過程非常複雜：NO3?NO2?NON2ON2，從硝酸鹽到氮氣釋放，需要4個連續反應步驟, 由反硝化細菌分泌的硝酸鹽還原酶、亞硝酸鹽還原酶、一氧化氮(NO)還原酶和氧化亞氮(N2O)還原酶四種酶類催化完成。
圖6. 反硝化過程釋放氧化亞氮氣體和氮氣
起初人們發現反硝化細菌只能存活於無氧的環境中，但是，最近發現許多有氧氣環境中的微生物能在其細胞周質中存放硝酸鹽還原酶；當此酶在細胞周質內存在時，不再對氧分子敏感，因此，好氧條件下也能發生反硝化作用。影響反硝化作用的主要因子也不再是氧，而是有機質和硝酸鹽含量。當為反硝化作用提供底物，硝化和反硝化作用通常耦合發生。參與反硝化作用的微生物種類繁多，已發現有 80 多個屬的細菌和部分古菌、真菌和放線菌均可能參與反硝化作用。
打破平衡之後
自然狀態下上述三個過程是平衡的，但是如果人類向大氣和土壤中釋放了過量的氮素，這一平衡就會被打破。
這些微生物棲息在土壤里，原本與人類和平共處，相安無事；可是貪婪的人類首先打破了這種默契。為了應對日益增長的農畜產品需求，近百年來，農業生產中化肥使用量猛增，伴隨著家用汽車的普及和石油燃料燃燒，氮元素向生態系統輸入迅速增加。
大氣氮沉降增加已成為重要的全球氣候變化議題，沉降量不斷增加所帶來的生態問題日趨嚴重，大氣氮沉降將增加銨根離子的硝化和硝酸根離子的淋失，進而引發森林土壤酸化、營養失衡、樹木發育衰退、生物多樣性減少和生產力降低。
科學家們對現有森林進行施氮肥模擬大氣氮沉降，他們發現長期過量氮沉降能給土壤微生物帶來負面影響；例如，改變微生物群體的種類、個別微生物種的數量和生活能力，同時也改變土壤微生物對植物枯枝落葉和根系的分解能力和速率。
圖7. 工農業生產釋放的氮素通過乾濕沉降到生態系統
歐洲的科學家們研究發現森林氮飽和的臨界負荷最小值為每年每公頃10千克氮，但目前歐洲中部地區大部分森林氮輸入量為每年25到60千克，遠遠超出了森林對氮營養元素年均需求量。而在北美地區，某些森林生態系統的氮輸入量每年每公頃達40千克。來自中國科學家的調查也不容樂觀，每年降雨中所攜帶的硝酸根離子和沉降量與美國和日本等發達國家相接近，而降雨中的銨根離子濃度則更高，其沉降量也更大，分別是美國和日本的4倍和3.7倍。
美國科學家在哈佛森林的松林林地的研究發現，微生物總量比未施氮林地減少了68%，闊葉林則減少了59%；同樣，在維吉尼亞西部的2個氮飽和林地里亦發現了類似的現象，即微生物總量和真菌/細菌比率隨著施氮水平增加而減少。另外，在英國北部的一個大草場樣地，同樣發現增施氮肥的草地土壤中真菌/細菌生物量比率顯著低於未施氮的土壤。
來自美國環保部國家健康與環境影響實驗室的科學家們發現，與氮元素密切相關的微生物，特別是在高劑量氮肥處理的土壤中發現了大量的具有單加氧氨酶基因微生物，這是一類重要的硝化作用微生物，而在未增施氮肥的林地土壤中則沒有發現；另外一種固氮細菌獨有的基因在施氮肥土壤中沒有發現，而在其它土壤中均有發現，這暗示了氮沉降增加已改變了固氮微生物類群。這些微生物群體的變化很可能會影響氮的輪迴，進而影響我們的餐桌美食。
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