海洋中束毛藻丰度和固氮与铝关联的可能机制研究——铝影响束毛藻对磷的利用

Nitrogen-fixing cyanobacteria Trichodesmium prevails in the upper layer of the oligotrophic tropical and subtropical ocean, and its nitrogen fixation and growth are limited by environmental factors such as phosphorus, and are correlated with aluminum (Al). We hypothesize that the Al influences on the utilization of phosphorus by Trichodesmium may account for the correlation between Trichodesmium and Al. The key scientific question we want to answer is how Al influences the utilization of dissolved inorganic phosphorus (DIP) and dissolved organic phosphorus (DOP) by Trichodesmium, and thus its nitrogen fixation and growth. We want to use isotope tracing technique, molecular biological methods and ultraclean technique to study the Al influences on expression of genes for phosphorus utilization and nitrogen fixation, and alkaline phosphatase activity, and DIP and DOP utilization, and nitrogen-fixing rate of/by Trichodesmium based on experiments both in the lab and field. As a result, we want to know the Al effects on phosphorus utilization and nitrogen fixation by Trichodesmium, and the underlying mechanisms for the correlation between Trichodesmium and Al, and finally explore the role of Al in the biogeochemical cycling of carbon and nitrogen in the ocean.

固氮蓝藻束毛藻普遍存在于寡营养的热带和亚热带上层海洋，其固氮和生长受到磷等环境因子的限制，且与铝（Al）存在关联。我们推测Al影响束毛藻对磷的利用，这可能是束毛藻与Al关联的重要原因。本项目以Al如何影响束毛藻利用溶解无机磷（DIP）和溶解有机磷（DOP），进而影响其固氮和生长为关键科学问题，拟通过室内和野外培养实验，采用同位素示踪和分子生物学方法，在超洁净条件下，研究Al对束毛藻磷利用基因和固氮基因表达，碱性磷酸酶活性，DIP和DOP吸收利用及固氮速率的影响，以期揭示Al对束毛藻磷利用和固氮的影响规律，阐释束毛藻与Al关联的内在机制，探讨Al在碳氮海洋生物地球化学循环中的作用。

铝是地壳中含量最高的金属元素，普通存在于包括海洋在内的各类环境中。然而，少有研究报道铝对海洋浮游植物的作用。海洋固氮蓝藻束毛藻普遍存在于寡营养的热带和亚热带上层海洋，其固氮和生长受到磷等环境因子的限制，且与铝存在关联。我们推测铝影响海洋浮游植物对磷的利用，这可能是束毛藻与铝关联的重要原因。本项目采用放射性同位素示踪、稳定同位素示踪、分子生物学等手段，研究了1）铝对海洋固氮蓝藻固氮和生长的影响及其与磷营养的关系；2）铝对海洋浮游植物磷利用的影响；3）海洋浮游植物吸收铝的能力及铝的亚细胞分布；4）铝对颗粒有机碳分解的影响及其对海洋碳循环和气候变化的意义。. 结果表明，铝加富有利于束毛藻丰度的增加，提高束毛藻及单细胞固氮蓝藻类群A固氮基因表达，有利于水体固氮；铝加富对海洋固氮蓝藻生长和固碳的有益效应与水体中磷的浓度有关。进一步研究发现，使更高比例的碱性磷酸酶活性位于细胞表面，提高硅藻细胞表面的碱性磷酸酶利用DOP的效率，可能是铝促进海洋浮游植物生长的作用机制之一。. 证实了海洋硅藻具有较强的吸收海水中铝的能力，铝被吸收之后，分布于以下亚细胞组分：颗粒状物(68.6%)>碎片(17.3%)>细胞器(11.9%)>热稳定肽(~2%)>热变性蛋白(<1%)。. 揭示铝可能对海洋碳循环和全球气候变化具有重要影响。我们发现铝不仅通过提高DOP、Fe 和 N2，有助于多种海洋浮游植物在上层海洋固碳；而且还能降低有机碳的分解，从而使更多的碳有更高的机会埋藏到深海，增加海洋吸收大气CO2的能力。我们还发现过去16万年间，南大洋铝的输入量与大气CO2、气温存在显著的负相关关系。为此，我们提出关于全球气候变化的创新理论“铁-铝假说”，阐释铝与铁一样，在冰期-间冰期大气CO2浓度和气候变化过程中发挥重要作用。该新理论解释了大洋铁施肥实验不完全支持“铁假说”的原因；新理论可能开发出有效应对气候变化的“地球工程”技术，具有重要的科学价值和现实意义。