图2. 模型估算的本世纪内束毛藻固氮潜力的变化

图1. 固氮束毛藻的资源最优化分配细胞模型结构图片 1

4月27日,Science杂志提前在线发表我校环境与生态学院史大林教授团队的研究论文“The complex effects of ocean acidification on the prominent N2-fixing cyanobacterium Trichodesmium”。该研究以海洋生态系统中重要的“新氮”贡献者——束毛藻为对象,通过系统性的实验室机理探究和海上现场实验,发现因大气CO2上升而引起的海洋酸化抑制束毛藻的固氮作用,且该负效应随着海水中铁浓度的下降而加剧。这一研究成果不仅揭示了海洋酸化对束毛藻的影响及其机制,而且为先前国际上就该科学问题的争议提供了科学解释,对于深入理解全球变化下碳、氮的海洋生物地球化学循环具有重要的意义。

  

该研究指出海洋酸化通过影响固氮,可能会显著降低海洋碳汇潜能,相关成果发表在《Nature Communications》杂志上。图片 2

责任编辑:曹熠婕

  高坤山教授课题组长期致力于藻类的环境生理学与光生物学研究,聚焦于CO2及太阳UV辐射变化的生理生态学效应,迄今已在Global Change Biology, Limnology and Oceanography, Plant Physiology, Environmental Microbiology, Applied Environmental Microbiology, Marine Biology, Marine Pollution Bulletin, Biogeoscience, Planta, Journal of Phycology等主流专业期刊上发表论文160余篇。在藻类响应海洋酸化和太阳UV辐射等方面的原创性成果被Science、Nature China、Nature Geoscience及UNEP环境进展年报等多次正面介绍或引用。

该专项中厦门大学史大林教授团队分析了束毛藻对海洋酸化响应的细胞生理及分子生物学实验数据,并在此基础上建立了一个束毛藻“资源最优化分配”细胞模型(图1)。该模型模拟束毛藻胞内铁和能量如何在无机碳吸收、光合作用、固氮作用、生命维持、对抗酸化协迫、铁储藏等各主要生理过程之间的最优化分配,以最大化其生长速率;并且模拟了海洋酸化对几个主要生理过程的调控,包括CO2浓缩机制耗能的减少、固氮酶效率的下降、抗酸化胁迫耗能的上升、以及铁储藏的减少。模型结果显示,海洋酸化对束毛藻的影响主要在于固氮酶效率的下降和抗酸化胁迫能耗上升,二者均会对束毛藻的生长和固氮产生负效应,而其中起主导作用的为固氮酶效率的下降。研究进一步将细胞模型拓展到全球海洋,以地球系统模型模拟的RCP 8.5场景下本世纪海洋pH、CO2浓度和溶解铁为输入变量,估算得到全球海洋束毛藻的固氮潜力将在本世纪内平均下降27%,其中尤以铁匮乏的东南和东北太平洋的下降比例最大(图2)。

这一研究成果被Science杂志选为First Release Papers提前在线发表,详见 。该研究工作得到了国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”和面上项目、国家重点研发计划等的资助。

  海洋以每小时一百多万吨的速率从大气中吸收人类排放的CO2,这对缓解全球变暖起着重要的作用;然而,随着大气中CO2浓度的持续增高,海洋表层海水的pH下降,导致海洋酸化。自工业革命以来,海洋表层平均酸度已经升高了30%,未来50-100年间海洋酸化会使得海洋表层酸度增加100-150%。这种日益恶化的海洋酸化会影响海洋生物的代谢乃至海洋生产力,进而影响海洋生态系统的产出与服务。 为此,驱动海洋吸收CO2的光合固碳生物,如何响应海洋酸化的问题,倍受科学界关注;迄今,已有大量研究报道,但众多研究结果说法不一,对立性强。

图2. 模型估算的本世纪内束毛藻固氮潜力的变化

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  高坤山教授等集成过去3年南海航次与实验室研究结果撰写成的该论文显示,海洋酸化对浮游植物光合固碳的影响,取决于阳光辐射的高低,也取决于浮游植物分布的深度。浅深度或高光下,CO2升高引起光合固碳或生长速率下降,而深处或低光下,导致生长速率或光合效率升高。该现象的生理学机制是,CO2浓度升高下调了细胞主动吸收无机碳的机制,因此而节省的能量,在低光下促进了浮游植物的生长,而在高光下,与酸性增加协同作用,恶化了光胁迫与光呼吸。该发现解释了迄今众多研究结果不统一的关键原因。

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