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Nitrifier adaptation to low energy flux controls inventory of reduced nitrogen in the dark ocean

硝化作用 亚硝酸盐 硝酸盐 环境化学 氮气 固碳 焊剂(冶金) 生态系统 异养 化学 基质(水族馆) 生态学 生物 二氧化碳 生物化学 细菌 有机化学 遗传学
作者
Yao Zhang,Wei Qin,Lei Hou,Emily J. Zakem,Xianhui Wan,Zihao Zhao,Li Liu,Kristopher A. Hunt,Nianzhi Jiao,Shuh‐Ji Kao,Kai Tang,Xiabing Xie,Jiaming Shen,Yufang Li,Mingming Chen,Xiaofeng Dai,Chang Liu,Wenchao Deng,Minhan Dai,Anitra E. Ingalls,David A. Stahl,Gerhard J. Herndl
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:117 (9): 4823-4830 被引量:93
标识
DOI:10.1073/pnas.1912367117
摘要

Ammonia oxidation to nitrite and its subsequent oxidation to nitrate provides energy to the two populations of nitrifying chemoautotrophs in the energy-starved dark ocean, driving a coupling between reduced inorganic nitrogen (N) pools and production of new organic carbon (C) in the dark ocean. However, the relationship between the flux of new C production and the fluxes of N of the two steps of oxidation remains unclear. Here, we show that, despite orders-of-magnitude difference in cell abundances between ammonia oxidizers and nitrite oxidizers, the two populations sustain similar bulk N-oxidation rates throughout the deep waters with similarly high affinities for ammonia and nitrite under increasing substrate limitation, thus maintaining overall homeostasis in the oceanic nitrification pathway. Our observations confirm the theoretical predictions of a redox-informed ecosystem model. Using balances from this model, we suggest that consistently low ammonia and nitrite concentrations are maintained when the two populations have similarly high substrate affinities and their loss rates are proportional to their maximum growth rates. The stoichiometric relations between the fluxes of C and N indicate a threefold to fourfold higher C-fixation efficiency per mole of N oxidized by ammonia oxidizers compared to nitrite oxidizers due to nearly identical apparent energetic requirements for C fixation of the two populations. We estimate that the rate of chemoautotrophic C fixation amounts to ∼1 × 10 13 to ∼2 × 10 13 mol of C per year globally through the flux of ∼1 × 10 14 to ∼2 × 10 14 mol of N per year of the two steps of oxidation throughout the dark ocean.
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