本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
编者注：记者兼船员凯瑟琳·艾登特和科学家杰里米·雅克科特正在“亚特兰蒂斯”号研究船上进行为期一个月的航行，前往东热带太平洋采样和研究固氮作用，以及其他研究项目。这是详细介绍《ScientificAmerican.com》正在进行的探索之旅的第四篇博文
“亚特兰蒂斯”号主甲板—多年来，科学家们一直认为，进出世界海洋的氮量相对相等，形成了一个“平衡”且自然维持的预算。但这一理论是基于从世界海洋中极少数海洋中获得的相对少量数据，这让科学家们有理由质疑该模型的准确性。
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地球科学家安吉拉·克纳普在最近的一次船上科学会议上说：“海洋氮预算是否平衡尚不清楚。” “我们是否低估了固氮作用？我们是否高估了反硝化作用？”
这一假设促使首席科学家道格·卡波恩、克纳普、来自南加州大学的地球化学家威尔·贝雷尔森以及船上其他 25 位科学家冒险前往东热带南太平洋 (ETSP)，以回答以下问题：海洋能否维持一个良好调节的氮预算？如果可以，如何维持？
尽管卡波恩在大西洋北部和阿拉伯海的固氮作用（将气态氮转化为生物质）方面做出了广泛的研究贡献，但科学家们对南太平洋的氮利用情况及其如何影响总体预算知之甚少。
为了了解氮是如何被利用的，有必要对海洋氮循环有一个基本的了解。简而言之，氮循环中有四个过程。其中两个过程构成了氮进出世界海洋的大部分：固氮作用和反硝化作用。
在水柱中，一些生物体“固定”或将氮气转化为生物可利用的形式，例如硝酸盐。但其他生物体可以吸收硝酸盐等化合物并“反硝化”或将其转化回氮气，本质上是将其放回大气中。这两个过程分别向海洋添加和去除氮。
此外，当铵（一种氮的形式）转化为亚硝酸盐和硝酸盐时，氮化合物会循环进入海洋。这些过程称为硝化作用，涉及海洋中微生物之间的氮转移。
除了了解这些过程在海洋中发生的位置外，科学家还需要了解生物体如何将氮与磷酸盐、铁和氧气等多种其他营养物质结合使用。他们使用的一种工具是海洋学家阿尔弗雷德·雷德菲尔德在 20 世纪 30 年代创建的“雷德菲尔德比率”。该比率表明，在给定的浮游植物生物量中，或在深海中任何营养物质的比率中，科学家应该能够观察到大约 106 个碳分子与 16 个氮分子与 1 个磷酸盐分子的比率 (106:16:1)。他们可以将此作为标准，以帮助他们了解海洋中的其他过程。
例如，在磷酸盐与氮的比率较高的情况下，例如在比率不同的区域，科学家预计会发现更多的固氮菌。例如，在 ETSP 中，磷酸盐与氮的比率较高，这导致一些科学家认为反硝化作用比固氮作用更频繁。但是——在他们收集到足够的数据之前，没有人会确定。
克纳普正在通过研究氮和氧同位素来寻找这些过程的证据。同位素是指与同种元素的另一个原子相比，具有不同中子数的原子。
例如，14氮的中子数比 15氮少，这使得 15氮更重。反硝化氮化合物的生物体可能偏爱一种氮同位素而不是另一种，因此通过研究不同的同位素，科学家可以从分子层面了解这个复杂的过程。
科学家们还在研究 ETSP 中铁的存在或不存在如何影响氮循环。铁是所有光合生物的必需营养素，对于固氮生物尤其重要。如果科学家发现这些水域缺铁，他们可能更接近于得出该区域固氮作用受到限制的结论。
虽然科学家们在这次旅行中收集的数百甚至数千个样本和数据集将为不断增长的数据库贡献信息，但他们可能需要数年时间才能更准确地描绘出海洋氮预算。
克纳普说：“在过去的五年里，人们开始认为固氮作用可能发生在东太平洋。” “但这一切都是间接的假设，所以这就是我们来这里的原因。”
图片：地球科学家安吉拉·克纳普（迈阿密大学）在“亚特兰蒂斯”号研究船的主甲板上采集样本