在地球的所有元素循环中，氮循环可能是最复杂和代价最高的。毕竟，将构成我们大气层近 80% 的气态氮原子转化为可用形式（最常见的是一个氮原子与三个氧原子结合，即硝酸盐）需要大量能量。广为人知的称为固氮菌的细菌可以在一种特殊酶和充足的铁供应的帮助下完成这项工作（或者，利用高压和高温，氮可以进行工业固化）。这种固氮作用，正如其名称所示，是植物生长的基本限制，也是所有生命必需的营养素。然而，这个至关重要的循环仍然知之甚少。“我们真的不知道它在哪里发生，”西雅图华盛顿大学的生物地球化学家柯蒂斯·德意志说。“我们真的不知道哪些环境因素控制着这个过程的速率或分布。”
德意志和他的同事旨在通过更好地了解海洋中固氮作用的繁荣地带来解决这个问题。为了实现这一目标，他们使用了全球环流模型，显示了海水如何混合以及水中的化学信号，以揭示固氮作用可能发生的位置，正如他们在 1 月 11 日的《自然》杂志上的报告所述。
在固氮菌进行固氮作用的同时，其他更古老的微生物在低氧区域（如沉积物或死亡地带）中工作，将氮转化回构成我们大气层主要成分的惰性气体。“固氮和反硝化作用这两个过程控制着环境中可用作营养物质的氮量，”德意志解释说，并补充说“人类固定的氮量大约相当于地球上生物圈其余部分的总和。”
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具体而言，固氮和反硝化作用这两个相反的过程在全球水体中硝酸盐和磷酸盐（另一种营养物质）的比例中留下痕迹。在固氮作用产生硝酸盐的地方，由于固氮菌消耗磷酸盐但增加硝酸盐，该比例将高于正常水平，而反硝化作用去除硝酸盐而不影响磷酸盐水平，从而降低该比例。科学家们确定，固氮作用区域位于氧气含量最低且可能发生反硝化作用的区域附近；他们通过将全球海洋中硝酸盐和磷酸盐水平的测量值（科学家们几十年收集的数据）与洋流模型相结合，得出了这个结论。
普林斯顿大学地球化学家豪尔赫·萨尔米恩托指出：“利用海洋环流模型对营养物质观测结果进行分析，可以推断出固氮作用必须达到何种程度才能解释沿海洋环流和混合路径的营养物质变化。”
这一证据与萨尔米恩托自己之前的工作相悖，他之前的研究认为，由于来自大陆的富含铁的尘埃在那里沉降，固氮作用必须主要发生在北大西洋。但它从其他研究中获得了可信度，例如一种固氮微生物——束毛藻蓝细菌或海锯屑——“水华”的卫星地图，该地图与硝酸盐本身中各种氮同位素的支持性研究以及实验室培养的固氮菌相符，表明即使在相对高浓度的硝酸盐包围下，这些微小生物也会进行固氮作用。
但一个关键证据明显缺失：在太平洋这些地点正在进行的固氮作用的实际测量。“如果存在实际的生物学证据，如果有人出去测量直接速率，那么科学界将更容易接受这一点，”南加州大学海洋地球化学家安吉拉·克纳普指出。而且，在太平洋工作的这些固氮菌将从哪里获得必要的铁仍然不清楚。“来自下方 [富含营养物质的水域] 的铁供应，加上通过大气中的尘埃输送的任何数量的铁，似乎是足够的，”萨尔米恩托说。一个元素循环的生命场所可能已被发现，但随之而来的还有许多其他谜团。