厚壁硅藻具槽帕拉藻在黄海增殖成因及对生物硅循环的影响

The regime shift of marine phytoplankton significantly impacts the structure and function of food web, intricately controls the biogeochemical cycling of nutrient elements, and even increases harmful algal blooms. Over the past decades, there is a poorly understood coincident trend in many eutrophic waters is an increase in the abundance of heavily silicified diatoms; these diatoms sequester biogenic silica in the sediment limiting further diatom growth and prolonging the seasonal opportunity for harmful algae. Through paleoecological and in situ data from the eutrophic Yellow Sea, China, we found that the significant increases of heavily silicified diatom Paralia sulcata is associated with nitrogen pollution and polyamine contents in the cells. Thus, we are going to explore the physiological mechanism of this phenomenon and estimate its impact on the BSi cycle in coastal waters, according to studying the impacts of nitrogen sources on polyamine contents in the cells, the silicification of diatom frustules and BSi cycle in the sediment. The results can help us better understand the ecological consequece of phytoplankton shift in species level under the eutrophic status.

海洋浮游植物群落结构演变可显著影响到初级生产力、食物网、元素生物地球化学等多个关键过程，甚至引发生态灾害，给社会造成巨大经济损失。高度硅质化硅藻物种在富营养化海域大量增殖是群落结构演变的一种重要现象，可显著影响到浮游动物产卵率以及生物硅的循环效率，加剧水体的硅限制效应。本项目拟以黄海关键演变物种具槽帕拉藻为主要研究对象，基于硅藻细胞内多胺含量与细胞壁硅质化程度的生理生化关系，研究两方面内容：（1）不同形态氮源对硅藻细胞内多胺含量与细胞壁硅质化程度的影响；（2）厚壁硅藻具槽帕拉藻大量繁殖对生物硅生成、沉降与溶解速率的影响。研究结果可为近岸海域硅的生物地球化学研究提供新视角，从物种水平上理解近海浮游植物群落结构演变形成的生态学效应。

硅藻是海洋中极其重要的硅质生物和初级生产者，在海洋的硅、碳循环中起着关键作用。海洋中生物硅再生可以占到硅循环的70%以上，因此，硅质生物的变动是影响海洋中硅循环的关键因素。针对我国北黄海厚壁硅藻具槽帕拉藻大量增多的现象，本项目主要开展了两个方面的研究内容：（1）结合历史数据、沉积物反演数据与观测数据，分析了具槽帕拉藻在北黄海时空变化特征，并定量研究了关键环境因子的权重以及具槽帕拉藻的适宜生态位，进一步通过8个月的沉积物捕获器布放，获得数据并揭示了厚壁硅藻种群对水体与沉积物中硅循环的影响。（2）通过两个关键硅藻物种（具槽帕拉藻与中肋骨条藻）的培养实验，验证了水体中铵盐增多与硅藻尿素循环中多胺过表达的生化关系，并通过分析关键氨基酸与酶活变化，评估了氨基酸代谢与多胺合成的对应关系，发现多胺过表达促进硅藻细胞壁关键合成因子长链多胺的增加，最终导致细胞壁变厚的关键生理生化机制。研究期间，严格按照项目申请书与计划书执行，在2019-2022年期间，完成了项目设置的野外观测、沉积物捕获器布放、以及关键物种培养实验三部分研究工作，获取了项目所需要的三套关键研究数据。研究结果拓宽对于海洋中氮-硅耦合效应的理解，特别是硅藻硅化对海洋中硅循环的影响。此外，研究结果对于海水富营养化修复中铵盐的减排政策亦具有参考价值。项目执行期间，在国内外高水平学术期刊发表相关学术论文8篇，获得专利2项；完成了1名博士后、1名硕士生、2名博士生的培养工作，并积极开展了学术交流与国际合作研究。