痕量铝影响海洋浮游植物叶绿素合成与固碳新认知：铁铝假说研究获新进展

发布时间：2024-05-20 来源：【大中小】【打印】【关闭】

近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室（LMB）研究团队联合多家单位在痕量铝影响海洋碳循环与气候变化研究中取得新进展。相关成果以“Promoting effects of aluminum addition on chlorophyll biosynthesis and growth of two cultured iron-limited marine diatoms”为标题发表在《湖沼与海洋》（Limnology and Oceanography）上，研究员谭烨辉和副研究员周林滨为论文共同通讯作者。

铝是地壳中含量最高的金属元素，普遍存在于各种环境与生物体中。然而，目前尚未发现铝具有确切的生物学功能，这是一个长期未解之谜。铝在淡水和土壤中的浓度可达mmol/L，相比较而言，海水中溶解铝的浓度则要低几个数量级，常处于痕量水平。

南海海洋所研究团队从十多年前开始关注铝添加对海洋浮游植物生长的影响，开展了一系列现场和室内实验研究，发现痕量铝添加可促进海洋浮游植物固碳，增强生源碳向深海输出、埋藏封存，从而影响海洋碳汇效能，进而调节气候变化。有证据表明，过去80万年，通过沙尘沉降输入到南大洋的铝与铁通量与冰期-间冰期气候回旋存在密切关联。通常认为，南大洋浮游植物生长受铁限制，铁输入的变动被认为是调节碳汇与气候变化的关键因子。研究团队的工作则发现，铝与铁协同作用，很可能是南大洋等海域碳输出、埋藏的关键，因而提出了“铁铝假说”，指出铝与铁一样，可能是调控海洋碳循环和碳汇形成的关键因子，在冰期-间冰期气候变化过程发挥重要作用（图1）。

图1 铁铝假说示意图。引自（周林滨等，2023）。自然铁施肥过程(但不限于)沙尘气溶胶沉降不仅向海洋输入铁(Fe)还带来铝(Al)。Al一方面提高海洋浮游植物利用溶解有机磷(DOP)、Fe和N2(固氮)效率，增加上层海洋固碳；另一方面降低生源碳分解速率，提高碳向深海输出、封存，增强海洋碳汇能力，从而影响气候变化，在地球历史时期和现代气候变化过程中发挥着重要作用

自2018年提出“铁铝假说”以来，研究团队持续探索求证，不断完善假说的理论详释。通过放射性碳同位素示踪方法，证实痕量铝添加显著提高硅藻净固碳量，降低颗粒有机碳分解速率，为铝调控海洋碳输出与封存的观点提供了关键证据（Zhou et al. 2021）。相关研究成果2021年也发表在《湖沼与海洋》上，获得广泛关注和评论报道，文章的Altmetric指数达到119，2023年入选国际湖沼与海洋学学会（ASLO）期刊2020–2021年15篇高影响力优秀论文。同年，团队成员受邀出席2023水科学大会（Aquatic Sciences Meeting）“高影响论文作者专题”，报告铁铝假说相关研究成果。近日（3月19日），该论文被收录进入ASLO推出的最新一期题为“作者聚焦：来自ASLO期刊的高影响力作者”的虚拟专辑，进一步肯定了相关工作对研究领域的贡献。

根据铁铝假说，研究团队提出“海洋铝施肥”观点，认为这有可能发展成为潜在高效的负排放技术与方法，并预测南大洋等受铁限制的高营养盐低叶绿素（HNLC）海域是开展铝施肥及铁铝同时施肥的理想区域（周林滨等，2023）。然而，在大规模现场施肥实验之前，仍需要在不同时空尺度上检验海洋铝施肥的效能及其潜在环境影响。痕量铝添加如何影响铁限制浮游植物，尤其硅藻的生长，是需要解答的关键问题之一。

为此，研究团队联合德国赫姆霍兹基尔海洋研究中心（GEOMAR）、英国帝国理工学院、加拿大国立科学研究院（INRS）等多家单位，采用痕量金属洁净培养技术、55Fe同位素示踪方法，开展了多项实验，发现痕量铝添加可以显著提高受铁限制硅藻的叶绿素合成速率、光合效率和生长率（图2）。这一研究揭示了痕量铝有益于铁限制海洋硅藻叶绿素合成的新现象，为铁铝假说提供了新证据，也为在南大洋等铁限制海域开展海洋铝施肥负排放技术研究提供了重要基础。

图2 痕量铝添加对铁限制与铁充足条件下威氏海链藻（T. weissflogii）和假微型海链藻（T. pseudonana）叶绿素合成与生长的影响

本研究得到了广东省自然科学基金、国家留学基金、南方海洋科学与工程广东省实验室（广州）人才团队引进重大专项、南海海洋所自主部署项目等资助。