中国科学院南海所李芊研究员团队及其合作者揭示大湾区近海硅藻水华及其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以及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及其氧脂类代谢物在磷循环中的作用机制。相关研究发表于国际知名期刊Science of the Total Environment上，副研究员吴正超为第一作者，李芊为通讯作者。
硅藻在地球的总初级生产中占据20-40%的份额，通过其在水体中的垂直沉降，对全球海洋碳输出和碳储存发挥着至关重要的作用。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，伴随着大规模生物量的沉降到海底。在这一过程中，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，通过藻际环境等多界面快速交换代谢产物和信号化合物，但我们对信号化合物介导的硅藻-细菌相互作用过程及其对藻华动力学和近海碳循环的调控机制的理解仍有待完善。
这项研究重点关注了硅藻在藻华后期产生的多不饱和醛（PUAs）氧脂类代谢有机物，它们被广泛证实在调节不同浮游生物碳功能类群的相互作用中发挥关键作用，研究团队研究了PUAs在磷限制的河口近海颗粒物微生物磷循环中的作用。该研究选择了粤港澳大湾区近海，作为一个典型的受人类活动影响显著的海域，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）。通过结合原位大体积过滤技术和PUAs现场衍生化监测方法，研究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，图2A）。随后进行的原位受控实验发现，低浓度的PUAs（<30 μM）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 μM）导致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(图2B)。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重要作用。
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% W& G7 w6 c7 k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）。图1B展示了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）。
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图2：展示了藻华区内和区外底层水中颗粒吸附态PUAs的原位监测对比（A，藻际环境中的微摩尔级别水平），以及颗粒物附着细菌对微摩尔级PUAs受控实验的响应规律对比（B，包括碱性磷酸酶活性和细菌丰度）。
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图3：全球影响与应用——富营养化河口近海的磷限制硅藻水华以及与之相关的藻源PUAs类信号代谢物在藻华动态和近海碳汇中的潜在功能。
0 [6 ]( {9 ~2 c( B$ B1 _藻际环境下的颗粒附着细菌可以适应硅藻（或其碎屑）释放的高浓度PUAs，协同地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。这些过程导致的额外生物碳积累可能会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可能会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）。本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管理提供了理论基础。
. f! |2 i" p7 [- ]0 a) q该研究得到了广东省自然科学基金-区域联合基金重点项目、国家自然科学基金面上项目以及中国科学院国际人才计划（PIFI）项目等的联合资助。
) r2 l+ V' L; Z$ \; p! i/ d相关论文信息：
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.
论文链接：
0 ?, S* W: b6 X6 Lhttps://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166518
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1 l( y, X3 `$ ~( [4 b$ M" l信息来源：中国科学院南海所。