Новости

Sep 12, 2023

Количественная оценка биологической фиксации азота Мо

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22011 (2022) Цитировать эту статью

681 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Биологическая фиксация азота (BNF) каноническим молибденом и дополнительными изоформами ванадия и нитрогеназы, содержащими только железо, является основным естественным источником вновь фиксированного азота. Понимание контроля над глобальным круговоротом азота требует знания изоформы, ответственной за BNF в окружающей среде. Анализ изотопного восстановления ацетилена (ISARA), который измеряет фракционирование стабильных изотопов углерода (13C/12C) между этиленом и ацетиленом в анализах восстановления ацетилена, является одним из немногих методов, которые могут количественно оценить потоки BNF, специфичные для изоформ. Применение классической ISARA было сложной задачей, поскольку активность BNF в окружающей среде часто слишком низка, чтобы генерировать достаточное количество этилена для изотопного анализа. Здесь мы описываем высокочувствительный метод измерения этилена δ13C путем поточного сочетания предварительного концентрирования этилена с масс-спектрометрией газовой хроматографии-сгорания-изотопов (EPCon-GC-C-IRMS). Потребность в этилене в пробах с 10% об.% ацетилена снижается с > 500 до ~ 20 ppmv (~ 2 ppmv с предварительным автономным удалением ацетилена). Чтобы повысить надежность за счет уменьшения ошибок калибровки, мутанты Azotobacter vinelandii с одной изоформой нитрогеназы и анализы проб из окружающей среды полагаются на общий источник ацетилена для производства этилена. Применение метода ISARA с низкой активностью BNF (LISARA) к почвам с низкой азотфиксирующей активностью, листовому опаду, гниющей древесине, криптогамам и термитам указывает на наличие комплементарного BNF в большинстве типов образцов, что требует дополнительных исследований BNF, специфичных для изоформ.

Азот (N) фундаментально устанавливает пределы биологической продуктивности, вероятно, ограничивая реакцию естественных экосистем на глобальные изменения окружающей среды1,2,3. Биологическая фиксация азота (БНФ), прокариотический процесс, который превращает атмосферный диазот (N2) в аммиак, является основным биологическим источником нового биодоступного азота для глобальных и региональных балансов азота. Таким образом, он играет ключевую биогеохимическую функцию в различных экосистемах, включая тропические, умеренные и высокоширотные леса, горные травы и кустарники, а также донную среду и среду открытого океана4,5. Нитрогеназа, металлофермент, ответственный за BNF, существует в трех основных изоформах, характеризующихся наличием переходного металла в активном центре: канонической нитрогеназы и «альтернативной», или недавно названной «комплементарной», содержащей только ванадий (V) и железо ( Fe)-только нитрогеназы6,7. Нитрогеназы, содержащие только V и Fe, не зависят от Mo и содержат более распространенные микроэлементы V и Fe из земной коры вместо Mo8.

Определение вклада различных изоформ нитрогеназы в BNF окружающей среды имеет решающее значение для понимания механизмов контроля над BNF экосистемы, особенно того, как связанные биогеохимические циклы макронутриентов и биологически активных микроэлементов реагируют на антропогенные возмущения. Поскольку расчеты уровня BNF, основанные на традиционных методах (т.е. анализах восстановления ацетилена и методах естественного содержания 15N/14N), чувствительны к изоформе нитрогеназы9,10,11, неправильное приписывание изоформ нитрогеназы, активных в BNF, может изменить оценки баланса N примерно на до 50%12,13, что влияет на состояние N в экосистеме и управление ею.

Металлоспецифичность потоков BNF из окружающей среды теперь можно оценить с помощью отслеживания потока, специфичного для изоформ, с помощью анализа изотопного восстановления ацетилена (ISARA) и методов выхода этана в сочетании с анализом последовательности генов нитрогеназы6,12,13,14. Эти подходы выявили значительный вклад комплементарных нитрогеназ, содержащих только V и Fe, в неризобный BNF в различных образцах, начиная от опада мангровых зарослей Эверглейд умеренного пояса, отложений прибрежных солончаков умеренного пояса и бореальных цианолишайников12,13,15,16. Совсем недавно исследование цианолихенового BNF в градиенте питательных веществ в бореальных лесах протяженностью 600 км предоставило первые доказательства в масштабе экосистемы роли V-нитрогеназы в поддержании поступления BNF в условиях ограниченного содержания молибдена13, подтвердив давнюю гипотезу о «резервном» роль комплементарных нитрогеназ, первоначально предложенная лабораторными исследованиями17. Кроме того, низкие соотношения активности восстановления ацетилена и азота (т.е. отношения R), что указывает на наличие дополнительного BNF, наблюдались в почве умеренного пояса9, бореальном мхе11,18 и гниющей древесине19. Кроме того, комплементарные и неохарактеризованные гены нитрогеназы были обнаружены в древесной мульче20, задних кишках термитов21, почве9, мхе22 и цианолишайниках23,24. Эти исследования наряду с накоплением примеров Mo-ограниченного BNF в бореальных18,25,26, умеренных и тропических лесных биомах27,28,29,30,31,32,33 позволяют предположить, что Mo-независимый, дополнительный BNF может играть глобальную роль. Тем не менее, количественная оценка Mo-независимых показателей BNF в образцах окружающей среды, которые часто имеют низкую активность BNF, является сложной задачей, поскольку наиболее надежный метод дополнительного определения BNF, ISARA12, требует гораздо более высоких выходов этилена, чем обычно наблюдается (например, почва, мох и др.). Листовой опад обычно генерирует <300 ppmv этилена в течение 1–2 дней инкубации с использованием анализа восстановления ацетилена). Более широкое изучение дополнительных BNF и средств их контроля в важных экосистемах требует методологических усовершенствований ISARA.