研究揭示大湾区近海硅藻水华及氧脂类代谢物在磷循环中的作用机制

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）研究员李芊团队联合加拿大纽芬兰纪念大学教授Richard B. Rivkin、美国康涅狄格大学教授林森杰，揭示了大湾区近海硅藻水华以及氧脂类代谢物在磷循环中的作用机制。相关研究成果发表在《整体环境科学》（Science of the Total Environment）上。

硅藻在地球的总初级生产中占据20~40%的份额。硅藻通过在水体中的垂直沉降，对全球海洋碳输出和碳储存发挥着重要作用。在近海，硅藻的水华会在藻华后期因真光层中的氮磷等营养盐耗尽而消亡，进而伴随着大规模生物量沉降到海底。在此过程中，异养细菌对硅藻的有机物质降解和再矿化对硅藻水华动力学、海洋营养盐循环和碳循环产生显著影响。然而，尽管硅藻和细菌在海洋中长期共存，并通过藻际环境等多界面快速交换代谢产物和信号化合物，但科学家对信号化合物介导的硅藻-细菌相互作用过程以及藻华动力学和近海碳循环的调控机制的认知仍有待完善。

该工作关注硅藻在藻华后期产生的多不饱和醛（PUAs）氧脂类代谢有机物。它们被证实在调节不同浮游生物碳功能类群的相互作用中起着关键作用。科研团队剖析了PUAs在磷限制的河口近海颗粒物微生物磷循环中的作用。该研究选择典型的受人类活动影响显著的海域 粤港澳大湾区近海，并聚焦在珠江羽流影响下的藻华海区（图1A）。在藻华区，浮游植物群落以产生PUAs的硅藻为优势种群，合成了高浓度的藻源颗粒结合态PUAs（图1B）。该研究通过结合原位大体积过滤技术和PUAs现场衍生化监测方法，确定了藻华区内外颗粒吸附态PUAs的浓度水平和组成差异（藻际环境、微摩尔量级）。该团队在原位受控实验中发现，低浓度的PUAs（ 30 M）对藻华区内和区外的颗粒附着细菌碱性磷酸酶（APase）活性和细菌丰度没有显著影响。然而，高浓度的PUAs（300 M）致使藻华区外的附着细菌APase活性和丰度显著降低，而藻华区内没有明显变化。这表明藻际环境中的微摩尔量级的藻源PUAs在磷限制的近海硅藻水华区域的细菌磷降解和再矿化中发挥着重要作用。

藻际环境下的颗粒附着细菌可适应硅藻（或硅藻碎屑）释放的高浓度PUAs，协同维持高速的有机磷循环速率，支持近海的硅藻水华和净生产力。这些过程造成的额外生物碳积累或增加近海二氧化碳吸收和pH值，从而对抗近海酸化和缺氧现象。因此，富含PUAs的硅藻与细菌之间的相互作用或影响全球各地河口近海的浮游植物藻华生消和碳封存（图3）。该研究揭示了硅藻氧脂类代谢信号化合物在近海颗粒有机磷循环和藻华生消中的作用与调控机制，为大湾区海域生态环境的保护和全球富营养化磷限制近海藻华的奠定了理论基础。

研究工作得到广东省-区域联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目和中国科学院国际人才计划（PIFI）等的支持。

图1. 研究区域为全球富营养化河口的典型代表 粤港澳大湾区近海，以及珠江羽流影响下的硅藻大规模水华海区（A：以叶绿素代表藻华生物量）。B：藻华区内和区外表层水中藻源颗粒结合态PUAs的原位监测结果（水柱环境中的纳摩尔级别水平）。