5123导航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在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。

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。

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。

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）。

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。

5123导航硕士生张琦为论文第一作者，该生本科期间即以5123导航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