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中粒径硅藻从海洋CO2上升获得竞争优势

2022/05/30点击次数:

厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室海洋计算生物地球化学研究组硕士生张琦和罗亚威副教授Frontiers in Microbiology期刊以“A competitive advantage of middle-sized diatoms from increasing seawater CO2”为题发表研究论文,提出在未来海洋CO2上升的背景下,中粒径硅藻可能获得竞争优势,该研究对预测硅藻群落结构的变化具有重要科学意义。

硅藻贡献了近一半的海洋总初级生产力;同时由于其相对大的粒径,硅藻成为海洋生物碳泵的最主要贡献者之一。过去普遍认为,大粒径硅藻比表面积小、光合作用更受CO2限制,故从CO2上升中获益更大;大粒径硅藻沉降速度快、生物碳泵增加,可以对大气CO2上升形成负反馈,缓解气候变暖。

针对这一假设,本研究提出不同看法。海水中无机碳最主要的存在形式为HCO3-CO2浓度实际远低于HCO3-,硅藻为了满足其生长所需的无机碳,除了可以基本不消耗能量地被动从海水中获得CO2外,还能通过消耗代谢能量、主动吸收海水中的HCO3-。本研究建立了一个硅藻生理生态数值模型(图1),对于给定粒径的硅藻,计算海水CO2在不同浓度下通过扩散和碳酸盐平衡能够供给硅藻的最大速率,并结合胞内能量在“吸收HCO3-”和“生长”两个过程间的最优化分配,估算硅藻的生长速率。

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图1丨硅藻生态生理模型基本结构。

模型结果(图2)显示:硅藻生长速率对海水CO2上升的响应(Growth Rate Response, GRR)与其粒径呈现一个单峰型关系,即中粒径(约7 μm)的硅藻生长速率相对上升最多。模型阐述了出现此单峰型关系的主要原因:1)硅藻粒径非常小时,低CO2已经足以供给其无机碳需求,所以CO2上升不产生显著效应。2)随着硅藻粒径增大,CO2供给不足、硅藻开始耗能吸收HCO3-来弥补碳需求;而CO2上升则可以增加碳供给、减少吸收HCO3-耗能、使得GRR逐步增加。3)但是,随着硅藻粒径进一步增大,CO2在其吸收的碳中比例变小,硅藻对海水CO2的增加逐步变得不敏感,GRR下降。

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图2丨模型模拟结果。在海水CO2低浓度(LC:10 μM)和高浓度(HC:20 μM)条件下,硅藻生长速率(A)和GRR(B)随细胞直径的变化。

对硅藻CO2加富实验的历史GRR数据进行加富程度纠正并分析(图3),发现了与本研究结论较为一致的几个特征:1)总体而言,GRR并没有随细胞粒径增加而显著上升;2)较高的GRR基本发生在3-7 μm粒径;3)对于粒径分布范围最广的硅藻属——海链藻属(Thalassiosira spp.),GRR与粒径呈负相关关系。

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图3丨硅藻CO2加富实验的GRR历史数据与细胞粒径的关系。

将此模型应用于全球变化RCP 8.5(business-as-usual)场景,初步预测至本世纪末,在热带海洋较小粒径的硅藻从海洋CO2上升中的获益更大,而在其他海域较大粒径的硅藻获益更大(图4)。

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图4丨初步预测的RCP 8.5场景下本世纪内从海水CO2上升获益最高的硅藻粒径。

硅藻生长速率对海洋CO2升高的响应可能受多种因素影响,本研究从硅藻吸收不同形式无机碳的速率随细胞粒径和CO2浓度变化的角度,揭示了其中最直接的因素之一,提出了在未来高CO2的海洋,中粒径硅藻可能具有的一个竞争优势,并对预测硅藻群落结构的变化有一定科学意义。如果本研究提出的机制占主导地位,则大粒径硅藻的丰度在未来海洋可能不会显著增加、因而不能促进生物碳泵的效率。

厦门大学硕士生张琦为论文第一作者,该生本科期间即以厦门大学海洋拔尖计划学生身份加入海洋计算生物地球化学研究组,并继续获得了硕士学位,目前在美国乔治亚理工大学地球与大气学院攻读博士学位。实验室罗亚威副教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金重大项目Carbon-FE(41890802)、面上项目(42076153)和国家重点研发计划(2016YFA0601404)的资助。


论文来源

Zhang, Q., and Y.-W. Luo* (2022), A competitive advantage of middle-sized diatoms from increasing seawater CO2, Front. Microbiol., 13, 838629.


论文链接

https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.838629

供稿:张琦、罗亚威