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海洋酸化下硅藻的生理响应:pCO2与pH的单独效应
The physiological response of marine diatoms to ocean acidification: differential roles of seawater pCO2 and pH
发布日期:2019-5-6      浏览次数:557

2019年3月,近海海洋环境科学国家重点实验室海洋环境生物学课题组在Journal of phycology期刊上发表题为“The physiological response of marine diatoms to ocean acidification: differential roles of seawater pCO2 and pH”的研究论文,该研究从区分海洋酸化过程中CO2上升和pH下降的双重效应入手,揭示硅藻在海洋酸化下的生理响应。

工业革命以来,由于化石燃料的燃烧以及水泥生产等人为活动的加剧,大气中CO2浓度已增长了近40%,预计到2100年大气中CO2将高达800 μatm,这势必将影响海水的碳酸盐平衡体系,引发海洋酸化问题,继而对海洋生态系统的关键过程和功能产生影响。

硅藻是一类占有重要生态位的海洋浮游植物类群,贡献了高达40% 的海洋初级生产力和50% 的海洋碳输出通量。由于硅藻固定CO2的羧化酶RubisCO对CO2亲和力低,其半饱和常数约为40 μM,远高于海水表层约10 μM 的CO2浓度,因此大多数硅藻通过运行二氧化碳浓缩机制(CO2 concentrating mechanisms, CCMs )增加RubisCO周边CO2的浓度。CCMs是一个耗能过程,一般认为海洋酸化下海水表层CO2浓度的增加会导致硅藻CCMs下调,节省下部分能量可用于生长或其他代谢过程。这被认为是海洋酸化影响非钙化浮游植物生长和固碳的主要原因。而海洋酸化的另一个效应— pH降低,则经常被忽视。pH改变可能会不同程度地影响着硅藻的光合和呼吸等生理过程。

虽然目前有大量“海洋酸化对硅藻影响”的研究,但探究内容多为海洋酸化的综合效应,且针对“为何不同类型硅藻对酸化响应不同”仍有较多未知。因此,本课题组选取了三种不同类型硅藻—威氏海链藻(Thalassiosira pseudonana)、三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)以及牟氏角毛藻(Chaetoceros muelleri),进行四个环境条件下的长期驯化,即正常环境(Ambient, pCO400 μatm, pH 8.1)、高CO2(Carbonated, pCO2 800 μatm, pH 8.1、低pH(Acidified, pCO2 400 μatm, pH 7.8)以及海洋酸化(OA, pCO2 800 μatm, pH 7.8),旨在区分pCO2 和 pH改变对硅藻生长及生理的不同影响以及综合效应。我们的研究结果表明,pCO2的增加均导致三株硅藻CCMs的下调,但pCO2的增加仅对C. muelleri的固碳速率有较明显的促进作用,这可能是由于C. muelleri的RubisCO对CO2的亲和力较T. pseudonana P. tricornutum低。相较pCO2的增加,pH下降则更显著的促进了三种硅藻固碳速率的增加;同时以CO2为无机碳源的比例也增加。因以CO2为无机碳源的能量需求较低,低pH导致的以CO2为无机碳源的比例增加将使硅藻能量需求降低,有利于硅藻的固碳。在维持胞内pH稳定方面,在低pH条件下T. pseudonana通过增强呼吸作用产生更多的能量,用于维持胞内pH稳定,因此,虽然T. pseudonana的固碳速率在低pH下增强了,但海洋酸化对其生长的净效应为无影响。不同于T. pseudonanaP. tricornutumC. muelleri在酸化条件下保持呼吸速率不变,胞内pH随着环境pH降低而降低因此,海洋酸化对P. tricornutumC. muelleri生长的净效应为正。

由此可见,高CO2浓度下CCMs下调所节省的能量用于生长并不总是海洋酸化促进硅藻生长的主要原因,pH的降低也是很重要的一方面原因。由于不同硅藻对pCO2与pH响应不同,因此有必要深入探究pCO2增加与pH下降对海洋生态系统优势藻种的影响,以便更好的预测未来海洋酸化对浮游植物群落以及初级生产力的影响。

Figure1. The specific growth rate of the diatoms Thalassiosira pseudonana (a), Phaeodactylum tricornutum (b), and Chaetoceros muelleri (c) grown under ambient (pCO2 400 μatm, pH 8.1), carbonated (pCO2 800 μatm, pH 8.1), acidified (pCO2 400 μatm, pH 7.8), and OA (pCO2 800 μatm, pH 7.8) conditions. The data show means + SD (n = 3). Different letters in superscript indicate significant differences (p < 0.05) among treatments (one-way ANOVA followed by Tukey post hoc tests).

Figure 2. Schematic representation of different responses to OA of photosynthetic C fixation, Ci uptake, respiration, CCM, and intracellular pH in the diatoms Thalassiosira pseudonanaPhaeodactylum tricornutum, and Chaetoceros muelleri.

 

论文来源:Dalin Shi, Haizheng Hong, Xi Su, Lirong Liao, Siwei Chang, Wenfang Lin. The physiological response of marine diatoms to ocean acidification: differential roles of seawater pCO2 and pH. Journal of Phycology. 2019, doi:10.1111/jpy.12855.

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jpy.12855.