本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
編者注：記者兼船員凱瑟琳·艾登特和科學家傑里米·雅克科特正在“亞特蘭蒂斯”號研究船上進行為期一個月的航行，前往東熱帶太平洋取樣和研究固氮作用，以及其他研究專案。這是詳細介紹《ScientificAmerican.com》正在進行的探索之旅的第四篇博文
“亞特蘭蒂斯”號主甲板—多年來，科學家們一直認為，進出世界海洋的氮量相對相等，形成了一個“平衡”且自然維持的預算。但這一理論是基於從世界海洋中極少數海洋中獲得的相對少量資料，這讓科學家們有理由質疑該模型的準確性。
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地球科學家安吉拉·克納普在最近的一次船上科學會議上說：“海洋氮預算是否平衡尚不清楚。” “我們是否低估了固氮作用？我們是否高估了反硝化作用？”
這一假設促使首席科學家道格·卡波恩、克納普、來自南加州大學的地球化學家威爾·貝雷爾森以及船上其他 25 位科學家冒險前往東熱帶南太平洋 (ETSP)，以回答以下問題：海洋能否維持一個良好調節的氮預算？如果可以，如何維持？
儘管卡波恩在大西洋北部和阿拉伯海的固氮作用（將氣態氮轉化為生物質）方面做出了廣泛的研究貢獻，但科學家們對南太平洋的氮利用情況及其如何影響總體預算知之甚少。
為了瞭解氮是如何被利用的，有必要對海洋氮迴圈有一個基本的瞭解。簡而言之，氮迴圈中有四個過程。其中兩個過程構成了氮進出世界海洋的大部分：固氮作用和反硝化作用。
在水柱中，一些生物體“固定”或將氮氣轉化為生物可利用的形式，例如硝酸鹽。但其他生物體可以吸收硝酸鹽等化合物並“反硝化”或將其轉化回氮氣，本質上是將其放回大氣中。這兩個過程分別向海洋新增和去除氮。
此外，當銨（一種氮的形式）轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽時，氮化合物會迴圈進入海洋。這些過程稱為硝化作用，涉及海洋中微生物之間的氮轉移。
除了瞭解這些過程在海洋中發生的位置外，科學家還需要了解生物體如何將氮與磷酸鹽、鐵和氧氣等多種其他營養物質結合使用。他們使用的一種工具是海洋學家阿爾弗雷德·雷德菲爾德在 20 世紀 30 年代建立的“雷德菲爾德比率”。該比率表明，在給定的浮游植物生物量中，或在深海中任何營養物質的比率中，科學家應該能夠觀察到大約 106 個碳分子與 16 個氮分子與 1 個磷酸鹽分子的比率 (106:16:1)。他們可以將此作為標準，以幫助他們瞭解海洋中的其他過程。
例如，在磷酸鹽與氮的比率較高的情況下，例如在比率不同的區域，科學家預計會發現更多的固氮菌。例如，在 ETSP 中，磷酸鹽與氮的比率較高，這導致一些科學家認為反硝化作用比固氮作用更頻繁。但是——在他們收集到足夠的資料之前，沒有人會確定。
克納普正在透過研究氮和氧同位素來尋找這些過程的證據。同位素是指與同種元素的另一個原子相比，具有不同中子數的原子。
例如，14氮的中子數比 15氮少，這使得 15氮更重。反硝化氮化合物的生物體可能偏愛一種氮同位素而不是另一種，因此透過研究不同的同位素，科學家可以從分子層面瞭解這個複雜的過程。
科學家們還在研究 ETSP 中鐵的存在或不存在如何影響氮迴圈。鐵是所有光合生物的必需營養素，對於固氮生物尤其重要。如果科學家發現這些水域缺鐵，他們可能更接近於得出該區域固氮作用受到限制的結論。
雖然科學家們在這次旅行中收集的數百甚至數千個樣本和資料集將為不斷增長的資料庫貢獻資訊，但他們可能需要數年時間才能更準確地描繪出海洋氮預算。
克納普說：“在過去的五年裡，人們開始認為固氮作用可能發生在東太平洋。” “但這一切都是間接的假設，所以這就是我們來這裡的原因。”
圖片：地球科學家安吉拉·克納普（邁阿密大學）在“亞特蘭蒂斯”號研究船的主甲板上採集樣本