微藻碳酸酐酶胞外酶影响下的稳定碳同位素分馏的识别

对藻类稳定碳同位素分馏机制的深刻认识有利于提高藻类稳定碳同位素识别水环境信息的精度和分辨率。虽然，碳酸酐酶(CA)可逆地催化CO2和HCO3-之间的快速转化，产生的碳同位素平衡分馏作用很小，但由于细胞的区室化和生化代谢的偶联反应，CA发生着较大的生化动力学分馏作用，从而影响了藻碳同位素组成。本申请将以微藻为研究对象，控制实验和野外实验相结合，利用微藻CA胞外酶（CAex）和无机碳转运的生理生化特点，调制微藻CAex活力以及微藻主动利用无机碳的方式，研究CAex对微藻3-磷酸甘油酸(PGA)δ13C值的影响，探讨这种影响的强度与可塑性，阐明CAex影响碳同位素分馏的变化规律，量化CAex对碳同位素分馏的贡献，评价岩溶湖泊微藻CAex影响碳同位素分馏作用的实际意义。研究结果为现有的微藻稳定碳同位素分馏模型的更新和校正提供重要参数，对理解水体碳生物地球化学循环具有重要意义。

湖泊沉积物中的藻类稳定碳同位素分析已成为研究古环境的一个重要手段，通过分析沉积物中微藻稳定碳同位素组成，可以追溯古气候二氧化碳浓度等信息，这在预测全球气候变化方面具有重要意义。然而，现有的藻类稳定碳同位素分馏模型存在较大偏差，这意味着还有一些重要因素未被识别。具有较强生化动力学分馏作用的碳酸酐酶胞外酶（CAex）在藻类稳定碳同位素分馏过程中可能起着重要作用。. 碳酸酐酶（EC 4.2.1.1）是一种含锌的金属酶，催化CO2与HCO3-之间的可逆转化。碳酸酐酶分为质膜内和质膜外两种。质膜外碳酸酐酶（又称胞外碳酸酐酶，CAex）通过金属离子与细胞壁内表面相连接，催化细胞扩散层中碳酸氢根离子迅速水解成游离CO2, 从而保证了细胞的CO2快速供应，在此快速过程中，稳定碳同位素分馏很小。而在无CAex催化的慢速过程中，将产生很大的稳定碳同位素分馏。. 本研究选取CAex活性较强的莱茵衣藻和CAex活性较弱的蛋白核小球藻为实验材料，采用室内控制条件纯培养的方法，从不同的碳源、pH值、CAex活性等角度来设置实验，从而研究CAex活性在微藻稳定碳同位素分馏中的作用，并量化其在碳同位素分馏中的贡献。达到了项目的各项预期目标。. 利用双向同位素示踪技术及添加两种特异性抑制剂的方法，成功获得了微藻吸收无机碳的途径和份额。结合分子生物学的研究，选取了四个代表性的碳酸酐酶基因，从基因水平上印证了碳酸酐酶影响稳定碳同位素分馏的事实。. CAex在藻类稳定碳同位素分馏过程中起着重要的作用，平均存在-9‰的分馏。自然条件下，微藻主要利用大气CO2的碳源（约占其总碳源的92%），并且主要是以HCO3-的形式被微藻吸收的（＞60%）。在获得以上结论的基础上，把此模型应用到野外喀斯特岩溶湖泊等自然水体中进行验证，也得到了相似的结论。CAex活性影响微藻稳定碳同位素分馏的事实，为改进现有的藻类稳定碳同位素分馏模型提供了有力的依据，增强了利用微藻稳定碳同位素分馏模型预测古环境中二氧化碳浓度的精度和和可信性。. 微藻的CAex 活性越强,大气CO2占其碳源利用份额中的比例越大。此结论为人类选择CAex 活性较强的微藻种类来吸收持续增加的大气CO2含量提供了科学的依据。湖泊、海洋等自然水体占地球表面的70%,这为人类利用水体来固定碳汇提供了广阔的空间。