近日，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LTO) 研究員李芊團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)教授Richard B. Rivkin以及美國(guó)康涅狄格大學(xué)教授林森杰，揭示了大灣區(qū)近海硅藻水華及其氧脂類代謝物在磷循環(huán)中的作用機(jī)制。相關(guān)研究發(fā)表于國(guó)際知名期刊Science of the Total Environment上，副研究員吳正超為第一作者，李芊為通訊作者。
硅藻在地球的總初級(jí)生產(chǎn)中占據(jù)20-40%的份額，通過其在水體中的垂直沉降，對(duì)全球海洋碳輸出和碳儲(chǔ)存發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在近海，硅藻的水華會(huì)在藻華后期因真光層中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽耗盡而消亡，伴隨著大規(guī)模生物量的沉降到海底。在這一過程中，異養(yǎng)細(xì)菌對(duì)硅藻的有機(jī)物質(zhì)降解和再礦化對(duì)硅藻水華動(dòng)力學(xué)、海洋營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)和碳循環(huán)產(chǎn)生顯著影響。然而，盡管硅藻和細(xì)菌在海洋中長(zhǎng)期共存，通過藻際環(huán)境等多界面快速交換代謝產(chǎn)物和信號(hào)化合物，但我們對(duì)信號(hào)化合物介導(dǎo)的硅藻-細(xì)菌相互作用過程及其對(duì)藻華動(dòng)力學(xué)和近海碳循環(huán)的調(diào)控機(jī)制的理解仍有待完善。
這項(xiàng)研究重點(diǎn)關(guān)注了硅藻在藻華后期產(chǎn)生的多不飽和醛（PUAs）氧脂類代謝有機(jī)物，它們被廣泛證實(shí)在調(diào)節(jié)不同浮游生物碳功能類群的相互作用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，研究團(tuán)隊(duì)研究了PUAs在磷限制的河口近海顆粒物微生物磷循環(huán)中的作用。該研究選擇了粵港澳大灣區(qū)近海，作為一個(gè)典型的受人類活動(dòng)影響顯著的海域，聚焦在珠江羽流影響下的藻華海區(qū)（圖1A）。在藻華區(qū)，浮游植物群落以產(chǎn)生PUAs的硅藻為優(yōu)勢(shì)種群，合成了高濃度的藻源顆粒結(jié)合態(tài)PUAs（圖1B）。通過結(jié)合原位大體積過濾技術(shù)和PUAs現(xiàn)場(chǎng)衍生化監(jiān)測(cè)方法，研究確定了藻華區(qū)內(nèi)外顆粒吸附態(tài)PUAs的濃度水平和組成差異（藻際環(huán)境，微摩爾量級(jí)，圖2A）。隨后進(jìn)行的原位受控實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低濃度的PUAs（<30 μM）對(duì)藻華區(qū)內(nèi)和區(qū)外的顆粒附著細(xì)菌堿性磷酸酶（APase）活性和細(xì)菌豐度沒有顯著影響。然而，高濃度的PUAs（300 μM）導(dǎo)致藻華區(qū)外的附著細(xì)菌APase活性和豐度顯著降低，而藻華區(qū)內(nèi)沒有明顯變化(圖2B)。這表明藻際環(huán)境中的微摩爾量級(jí)的藻源PUAs在磷限制的近海硅藻水華區(qū)域的細(xì)菌磷降解和再礦化中發(fā)揮重要作用。
圖1：研究區(qū)域?yàn)槿蚋粻I(yíng)養(yǎng)化河口的典型代表——粵港澳大灣區(qū)近海，以及珠江羽流影響下的硅藻大規(guī)模水華海區(qū)（A，以葉綠素代表藻華生物量）。圖1B展示了藻華區(qū)內(nèi)和區(qū)外表層水中藻源顆粒結(jié)合態(tài)PUAs的原位監(jiān)測(cè)結(jié)果（水柱環(huán)境中的納摩爾級(jí)別水平）。
圖2：展示了藻華區(qū)內(nèi)和區(qū)外底層水中顆粒吸附態(tài)PUAs的原位監(jiān)測(cè)對(duì)比（A，藻際環(huán)境中的微摩爾級(jí)別水平），以及顆粒物附著細(xì)菌對(duì)微摩爾級(jí)PUAs受控實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)規(guī)律對(duì)比（B，包括堿性磷酸酶活性和細(xì)菌豐度）。
藻際環(huán)境下的顆粒附著細(xì)菌可以適應(yīng)硅藻（或其碎屑）釋放的高濃度PUAs，協(xié)同地維持高速的有機(jī)磷循環(huán)速率，支持近海的硅藻水華和凈生產(chǎn)力。這些過程導(dǎo)致的額外生物碳積累可能會(huì)增加近海二氧化碳吸收和pH值，從而對(duì)抗近海酸化和缺氧現(xiàn)象。因此，富含PUAs的硅藻與細(xì)菌之間的相互作用可能會(huì)影響全球各地河口近海的浮游植物藻華生消和碳封存（圖3）。本研究揭示了硅藻氧脂類代謝信號(hào)化合物在近海顆粒有機(jī)磷循環(huán)和藻華生消中的作用與調(diào)控機(jī)制，為大灣區(qū)海域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和全球富營(yíng)養(yǎng)化磷限制近海藻華的管理提供了理論基礎(chǔ)。
圖3：全球影響與應(yīng)用——富營(yíng)養(yǎng)化河口近海的磷限制硅藻水華以及與之相關(guān)的藻源PUAs類信號(hào)代謝物在藻華動(dòng)態(tài)和近海碳匯中的潛在功能。
該研究得到了廣東省自然科學(xué)基金-區(qū)域聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目以及中國(guó)科學(xué)院國(guó)際人才計(jì)劃（PIFI）項(xiàng)目等的聯(lián)合資助。
相關(guān)論文信息：Zhengchao Wu, Qian P. Li*, Richard B. Rivkin, & Senjie Lin (2023). " Role of diatom-derived oxylipins in organic phosphorus recycling during coastal diatom blooms in the northern South China Sea." Science of the Total Environment, 903, 166518.
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