氮元素是一切生物所必需的元素之一,是组成生物的重要元素。在海洋中,生物生产力主要是由氮元素限制的。因此,氮循环在海洋中扮演着重要的角色。固氮作用是指固氮微生物将生物不可直接利用的氮气转化为还原态的氮,反应过程由固氮酶催化进行,反应产物铵可以被大多数浮游植物吸收利用以合成氨基酸进而合成蛋白质。固氮生物在固氮过程中,也会向溶解态中释放一部分氮。这部分被释放的氮在以往的研究中并没有被计算在内,导致固氮速率的低估。同时被释放的溶解态氮可能造成超微型浮游植物、细菌以及硅藻的生长,改变固氮蓝藻所处海域的生态组成。通过硅藻的埋藏作用,固氮向硅藻的传输还可以导致固氮的间接输出。因此,固氮向溶解态中的释放具有重大科学研究意义。本实验通过添加13C和15N2示踪剂,在实验室条件下培养单细胞固氮蓝藻Crocosphaera。在指数期选取连续十天,通过24h培养实验,收集培养前后颗粒氮、溶解态氮以及胞内溶解态氮,通过测量其浓度和同位素值计算固碳固氮速率以及固氮向溶解态释放速率。为了进一步理解影响固氮向溶解态释放的因素,另一个实验选取了固氮蓝藻生长周期的不同阶段(指数期、平台期和衰亡期),并模拟了环境条件胁迫(光限制、铁限制和磷限制),计算固氮向溶解态的释放速率,从而探讨固氮蓝藻生理状态的改变是否会引起固氮释放的增加。通过第一个实验,我们发现:(1)单细胞固氮蓝藻Crocosphaera在培养环境下固氮向溶解态释放速率很小,仅占不到总固氮速率的1%。这表明在实验室培养环境中单细胞固氮蓝藻Crocosphaera几乎不向环境中释放溶解态氮。(2)Crocosphaera细胞内的碳氮绝对量比值接近Redfield比值,但是固碳速率与固氮速率比值远远大于Redfield比值,表明固氮蓝藻固定碳元素和氮元素并不严格遵循Redfield比值,这可能是由于固氮蓝藻具有不同于一般浮游植物的特点。(3)在本实验中,Crocosphaera胞内氮储库周转时间小于1天,所以可以认为固氮向溶解态释放的速率没有低估。通过第二个实验,我们发现:(1)在固氮蓝藻生长周期的不同生长阶段以及在不同的环境条件胁迫下,固氮向溶解态释放速率占总固氮速率的比例基本维持在0.5%到1.5%,变动很小。(2)固氮向溶解态释放占总固氮比例与固氮蓝藻种类没有关系,无论对于Trichodesmium还是Crocosphaera都具有相似的释放比例。(3)Trichodesmium和Crocosphaera固碳固氮速率比值远高于Redfield比值,这同细胞处于生长周期的哪个阶段以及处于何种环境条件胁迫没有关系。但是随着培养时间的增长,固碳固氮速率比值有所增加,这可能表明碳元素或者氮元素或者两者生理活动都发生了变化。(4)在本实验中,胞内氮储库的周转时间都大于1天,这表明固氮释放速率可能有低估。尤其在培养周期的后期,长周转时间可能带来细胞内外严重的N同位素不平衡,进而导致严重的固氮速率低估。(5)细菌在培养周期的后期快速增长,这可能加快颗粒氮以及溶解有机氮的分解。同时细菌本身也含有氮元素,其对胞外溶解氮的贡献不可忽视。