近日，5123导航海洋生态生理学与生物地球化学（MEB）研究组史大林教授、洪海征教授团队与氮循环研究组（NCG）杨进宇助理教授合作，在海洋酸化对浮游植物同化硝酸盐过程中同位素分馏的影响及其机理方面取得新进展，相关成果以“Changes in isotope fractionation during nitrate assimilation by marine eukaryotic and prokaryotic algae under different pH and CO2 conditions”为题发表在Limnology and Oceanography. 该研究通过室内受控培养实验，将浮游植物生理指标与同位素示踪技术结合，从机理上揭示了海洋酸化对真核和原核浮游植物同化硝酸盐过程中同位素分馏效应的影响，为准确应用氮同位素工具示踪过去、现代和未来海洋环境的氮循环过程提供了科学依据，并为相关生地化模型的参数化和模拟验证提供了理论基础。
研究背景
硝酸盐同化过程的同位素分馏效应是应用同位素示踪工具研究古海洋和现代海洋氮循环过程和生物泵效率的关键参数，其受环境因子的潜在影响决定了同位素工具在环境应用中的准确性。以往普遍认为光强是影响上述分馏效应的唯一环境因素。在全球变化背景下，人为活动引发的海洋酸化会不同程度地影响多种关键氮动力过程。有限的研究表明海洋酸化可能会改变浮游植物吸收硝酸盐的速率，但对不同类群浮游植物的影响并不一致。酸化对硝酸盐同化速率的影响是否会反映在同位素分馏效应上，是亟待探讨的问题。
研究结果
在不同pH（8.1、7.8）和pCO2（400、800μatm）条件下分别研究真核硅藻（T. weissflogii）和原核聚球藻（Synechococcus）同化硝酸盐的同位素分馏效应及两种藻类的生理响应。结果显示（图1），降低pH或升高pCO2均显著降低了硅藻同化硝酸盐的同位素分馏效应，且氮、氧同位素分馏效应的降低幅度基本相同。然而，酸化并不影响聚球藻同化硝酸盐的氮、氧同位素分馏效应。上述差异可能与两种藻类的生理特征差别有关（图2）：浮游植物同化硝酸盐过程的同位素分馏效应主要受控于藻类细胞硝酸盐外排量相对于硝酸盐吸收量的占比（efflux/uptake ratio）。硅藻细胞内硝酸盐浓度较高，存在明显的硝酸盐外排。酸化可能降低了硅藻细胞硝酸盐外排量相对于硝酸盐吸收量的占比。不同的是，聚球藻细胞内硝酸盐浓度极低，其细胞几乎不会释放硝酸盐，因此聚球藻同化硝酸盐过程的同位素分馏效应受酸化的影响十分有限。这些结果为环境因子影响硝酸盐同化过程的同位素分馏效应提供了新的见解，挑战了光强是唯一环境影响因素的传统认知，对同位素示踪工具在酸化海洋环境的准确应用具有重要意义。
图1. 不同酸化条件下硅藻和聚球藻同化硝酸盐的同位素分馏效应
图2. 硅藻和聚球藻的硝酸盐同化过程对海洋酸化响应的机理示意图
研究团队及资助
该论文的共同第一作者为5123导航MEB研究组硕士毕业生陈雅文和杨进宇助理教授，通讯作者为史大林教授和杨进宇助理教授，共同作者还包括5123导航洪海征教授、戴民汉教授、高树基教授以及博士生汤锦铭。该研究获国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重大研究计划集成项目和重点项目、中国科学院战略性先导科技专项以及近海海洋环境科学国家重点实验室自主课题等资助。
论文来源及链接
Chen, Y., Yang, J.-Y.T., Tang, J.-M., Hong, H., Kao, S.-J., Dai, M. and Shi, D. (2024), Changes in isotope fractionation during nitrate assimilation by marine eukaryotic and prokaryotic algae under different pH and CO2 conditions. Limnol Oceanogr.
https://doi.org/10.1002/lno.12546
供稿｜杨进宇、史大林
编辑｜朱佳 苏颖
审核｜杨伟锋 张瑶
排版｜陈蕾
