浮游植物汞吸附、吸收过程中的同位素分馏机制研究

Marine ecosystems play a crucial role in the global cycle of mercury (Hg). As the most important primary producer in the water environment, phytoplankton is the main channel for Hg to enter and further bio-magnify along the food chain. The isotope methods developed in recent years have greatly promoted the cognition of the mercury biogeochemical cycle. However, the mechanisms of mercury stable isotope fractionation during its uptake by phytoplankton remain largely unknown. Especially, the reasons for the significantly higher odd-isotope mass-independent fractionation of mercury in fish at the top of the food chain than in water body need to be explored in depth. This project will carry out hydroponic experiments to cultivate two species of single-celled algae (Chlorella pyrenoidsa and Coscinodiscus sp.), change the cultivation conditions through controlling a single variable (Hg species/concentrations, light condition, and DOC concentrations, etc), and determine the species, concentrations, and isotopic compositions of culture liquid, surface-bound, and intracellular Hg through real-time analysis of different time intervals. In combination with field observation data from Bohai Sea ecosystem (seawater and different algae), this project tries to illustrate the isotope fractionation characteristics and major controlling factors during the adsorption and absorption of different Hg species from water body to phytoplankton, especially concerning the most toxic form of methylmercury and the unique mass independent fractionation of Hg. This project aims to disentangle the contributions of the adsorption/absorption process of Hg mediated by phytoplankton to marine Hg isotope compositions. Thus, it is of great significance in perfecting Hg isotope fractionation mechanisms under biological participation, and in understanding the key process of marine Hg cycle.

海洋生态系统是全球汞循环中的重要一环，而浮游植物作为水环境中最重要的初级生产者，是汞从水体进入食物链并逐级累积放大的首要通道。近几年发展起来的同位素方法大大推动了对汞生物地球化学循环的认知。然而，有关浮游植物富集汞过程中的同位素分馏机制研究几乎还是空白，特别是食物链顶端鱼体中远高于水体的奇数汞同位素非质量分馏更需探明原因。因此，本课题拟以两种模式藻类蛋白核小球藻和圆筛藻开展水培实验，在不同培养条件下（控制单一变量：汞形态/浓度，光照强度和水溶性有机碳浓度等）实时分析培养液、藻细胞表面吸附和内部吸收的汞形态、含量和同位素组成，并结合外场观测数据（渤海：海水，不同的藻类），阐明浮游植物从水体吸附和吸收不同形态汞过程的同位素分馏规律和主要控制因素。该课题旨在厘清浮游植物介导的汞吸附、吸收过程对海洋汞同位素组成的影响，对完善生物参与下的汞同位素分馏理论和深入聚焦海洋汞循环的关键过程具有重要意义。

作为水环境中最重要的初级生产者，浮游植物是汞进入食物链的首要通道，然而浮游植物富集汞过程中的同位素分馏机制研究几乎还是空白，其对相关生态组分中汞同位素特征的影响也不清晰，这极大地限制了汞同位素方法在示踪海洋汞循环方面的应用。. 本研究一方面开展了控制实验，通过单细胞微藻-莱茵衣藻的室内培养和汞暴露实验，发现莱茵衣藻在吸附、吸收无机汞和甲基汞的过程中，培养基中的汞、藻细胞表面吸附的汞、藻细胞内部吸收的汞这三个汞储库发生了非常显著的汞同位素质量分馏MDF、略微显著的奇数汞同位素非质量分馏odd-MIF、几乎不显著的偶数汞同位素非质量分馏even-MIF，其MDF可能来自吸附-解吸附、藻类对无机汞的还原或对甲基汞的降解等过程，而其有限的odd-MIF可能来自汞的光化学还原过程，且由于受到光照类型（模拟日光）、暴露时间短（14天）等条件的限制，可能导致发生光化学反应的程度较低。. 本研究另一方面开展了外场观测，通过在渤海野外采集微型和大型藻类及其相关生态组分（海水、沉积物、上层食物链）样品，发现这些样品同时呈现出显著偏负的汞同位素MDF、显著偏正的odd-MIF、异常的even-MIF（显著偏负的Δ200Hg和显著偏正的Δ204Hg值），其显著偏负的MDF可能主要源自藻类（δ202Hg最低）代谢吸收周围汞的过程中发生了与陆地植物相似程度的MDF，其显著偏正的odd-MIF可能主要源自甲基汞在被累积前发生的光降解反应，其异常的even-MIF则可能主要源自大气Hg0的累积。而藻类（MeHg%最低但odd-MIF显著偏正，且同样even-MIF异常）则可能充当了这些甲基汞或Hg0进入食物链的通道。. 以上研究结果表明，藻类可代谢产生较大程度的MDF、继承水体MeHg的较高odd-MIF和大气Hg0的异常even-MIF，并显著影响了其相关生态组分中的汞同位素特征。未来工作需要1）深入探究在不同类型光照（如紫外光等）、长时间暴露等条件下，藻类汞吸收可能发生的汞同位素分馏，阐明是否会发生更高程度的odd-MIF；2）深入探究藻类对大气Hg0的可能累积及机制，验证它是否充当了Hg0进入海洋的生物泵，进而揭示此过程中的汞同位素分馏特征及机制。