在地球的所有元素迴圈中，氮迴圈可能是最複雜和代價最高的。畢竟，將構成我們大氣層近 80% 的氣態氮原子轉化為可用形式（最常見的是一個氮原子與三個氧原子結合，即硝酸鹽）需要大量能量。廣為人知的稱為固氮菌的細菌可以在一種特殊酶和充足的鐵供應的幫助下完成這項工作（或者，利用高壓和高溫，氮可以進行工業固化）。這種固氮作用，正如其名稱所示，是植物生長的基本限制，也是所有生命必需的營養素。然而，這個至關重要的迴圈仍然知之甚少。“我們真的不知道它在哪裡發生，”西雅圖華盛頓大學的生物地球化學家柯蒂斯·德意志說。“我們真的不知道哪些環境因素控制著這個過程的速率或分佈。”
德意志和他的同事旨在透過更好地瞭解海洋中固氮作用的繁榮地帶來解決這個問題。為了實現這一目標，他們使用了全球環流模型，顯示了海水如何混合以及水中的化學訊號，以揭示固氮作用可能發生的位置，正如他們在 1 月 11 日的《自然》雜誌上的報告所述。
在固氮菌進行固氮作用的同時，其他更古老的微生物在低氧區域（如沉積物或死亡地帶）中工作，將氮轉化回構成我們大氣層主要成分的惰性氣體。“固氮和反硝化作用這兩個過程控制著環境中可用作營養物質的氮量，”德意志解釋說，並補充說“人類固定的氮量大約相當於地球上生物圈其餘部分的總和。”
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
具體而言，固氮和反硝化作用這兩個相反的過程在全球水體中硝酸鹽和磷酸鹽（另一種營養物質）的比例中留下痕跡。在固氮作用產生硝酸鹽的地方，由於固氮菌消耗磷酸鹽但增加硝酸鹽，該比例將高於正常水平，而反硝化作用去除硝酸鹽而不影響磷酸鹽水平，從而降低該比例。科學家們確定，固氮作用區域位於氧氣含量最低且可能發生反硝化作用的區域附近；他們透過將全球海洋中硝酸鹽和磷酸鹽水平的測量值（科學家們幾十年收集的資料）與洋流模型相結合，得出了這個結論。
普林斯頓大學地球化學家豪爾赫·薩爾米恩託指出：“利用海洋環流模型對營養物質觀測結果進行分析，可以推斷出固氮作用必須達到何種程度才能解釋沿海洋環流和混合路徑的營養物質變化。”
這一證據與薩爾米恩託自己之前的工作相悖，他之前的研究認為，由於來自大陸的富含鐵的塵埃在那裡沉降，固氮作用必須主要發生在北大西洋。但它從其他研究中獲得了可信度，例如一種固氮微生物——束毛藻藍細菌或海鋸屑——“水華”的衛星地圖，該地圖與硝酸鹽本身中各種氮同位素的支援性研究以及實驗室培養的固氮菌相符，表明即使在相對高濃度的硝酸鹽包圍下，這些微小生物也會進行固氮作用。
但一個關鍵證據明顯缺失：在太平洋這些地點正在進行的固氮作用的實際測量。“如果存在實際的生物學證據，如果有人出去測量直接速率，那麼科學界將更容易接受這一點，”南加州大學海洋地球化學家安吉拉·克納普指出。而且，在太平洋工作的這些固氮菌將從哪裡獲得必要的鐵仍然不清楚。“來自下方 [富含營養物質的水域] 的鐵供應，加上透過大氣中的塵埃輸送的任何數量的鐵，似乎是足夠的，”薩爾米恩託說。一個元素迴圈的生命場所可能已被發現，但隨之而來的還有許多其他謎團。