近日，5123导航、海洋与地球学院林昕副教授课题组和郭香会教授课题组，以及5123导航材料学院姜源教授课题组在海水中橄榄石溶解与浮游植物的相互作用方面取得重要研究进展。相关成果以“The interactions between olivine dissolution and phytoplankton in seawater: Potential implications for ocean alkalinization”为题于2023年11月23日在线发表在Science of The Total Environment上。该研究综合利用生物-化学-材料多学科交叉研究方式，系统探究了海洋环境中天然橄榄石溶解与浮游植物的相互作用，为橄榄石应用于海洋碱化增汇提供了理论基础。
研究背景
“增加海洋碱度（Ocean alkalinity enhancement , OAE）”又称人工海洋碱化，是指通过在海水中添加碱性矿物实现增汇，这一增汇方式能够同时缓解海洋酸化。理论上，溶解1摩尔的橄榄石可以吸收4摩尔的无机碳，因此橄榄石被认为是最有希望应用于海洋碱化的矿物之一。据模型预测，橄榄石溶解会改变海洋浮游植物群落组成，但目前仍缺乏实验证据，此外，橄榄石在海水中的溶解过程受生物、化学、物理因素的具体影响还有待探索。为了更好地了解橄榄石在海水中溶解的过程，以及对海洋生态系统的影响，我们选取了两种硅藻（三角褐指藻和假微型海链藻）和一种颗石藻（大洋桥石藻），让它们与天然橄榄石颗粒共培养，探究橄榄石溶解对典型浮游植物类群的影响，解析浮游植物影响橄榄石溶解的微观机制。
研究结果
研究发现，橄榄石的溶解显著提高了培养体系的碱度，并促进了海水中浮游植物的生长，尤其是细胞壁硅质化程度更高的硅藻受益更多。深入分析发现，在含有橄榄石颗粒和颗石藻的共培养体系中，以及无浮游植物只有橄榄石的人工海水中，橄榄石溶解会导致硅酸盐浓度持续升高。而在硅藻与橄榄石的共培养体系中，硅酸盐浓度先升高，后下降直至极低值，这可能是硅藻合成硅质壳吸收硅酸盐所致。橄榄石溶解产生的硅酸盐有可能是促进硅藻生长的重要因素之一。
在无浮游植物的人工海水体系中，橄榄石的非化学计量比溶解会阻碍橄榄石的进一步溶解。能量色散X射线光谱（EDS）结果显示，在没有浮游植物的海水中，橄榄石溶解45天后的表面Mg/Si值低于未溶解的橄榄石表面值，这可能是由于橄榄石非化学计量溶解沉积SiO2所致。在浮游植物与橄榄石共培养体系中，扫描电镜图像显示，橄榄石表面相对粗糙。EDS与X射线光电子能谱（XPS）的结果显示，当细胞壁硅质化程度高的硅藻假微型海链藻存在时，橄榄石溶解45天后的表面Mg/Si值与未溶解的橄榄石表面值接近。此外，拉曼光谱结果显示，在与假微型海链藻共培养45天的橄榄石以及未溶解的橄榄石表面，均未检测到指示SiO2 的605.9cm-1峰值（图1）。上述结果表明，硅质化程度高的硅藻能促进天然橄榄石以化学计量比溶解，从而能提高海水中橄榄石的溶解效率。
图1. 扫描电子显微镜（SEM）图像显示橄榄石表面在无浮游植物情况下的微观结构特征：(a) 溶解前；(b) 溶解45天；(c) 与假微型海链藻（Thalassiosira pseudonana）共培养；(d) 与三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）共培养；(e) 与大洋桥石藻（Gephyrocapsa oceanica）共培养；(f) X 射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线光谱（EDS）测量不同橄榄石表面的Mg/Si值；(g) 不同橄榄石表面的拉曼光谱表征。
综上所述，橄榄石在海水中的溶解可以促进硅藻和颗石藻的生长，对高度硅质化的硅藻生长有更明显的促进作用；硅藻由于能吸收和利用硅酸盐，可促进天然橄榄石在海水中按化学计量比更快地溶解。因此，天然橄榄石的溶解过程消耗二氧化碳，并与硅藻光合固碳协同，可从大气中捕获更多的二氧化碳，形成一个正反馈机制（图2）。
研究团队及资助
该论文的第一作者为5123导航海洋与地球学院硕士生李灿如，通讯作者为林昕副教授，共同作者包括5123导航硕士生刘翔东、戴民汉院士、姜源教授、郭香会教授、李岩工程师、马剑教授和美国加利福尼亚州洛杉矶南加州大学David A. Hutchins教授。该研究获得近海海洋环境科学国家重点实验室自主研究课题（MELRI2202）和福建省省属公益类科研院所基本科研专项（2021R100700，福建海洋研究所合作项目）的联合资助。
Li, C., Liu, X., Li, Y., Jiang, Y., Guo, X., Hutchins, D. A., Ma, J., Lin, X., & Dai, M. (2024). The interactions between olivine dissolution and phytoplankton in seawater: Potential implications for ocean alkalinization. Science of the Total Environment, 912, 168571.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168571
供稿｜李灿如、林昕
编辑｜朱佳
审核｜郑强、张瑶
