海洋所在鹽田藻類生物碳匯研究方面取得新進展
近日,愛思唯爾出版集團旗下國際期刊Journal of Advanced Research刊登了中國科學院海洋研究所藻類生理過程與精準分子育種團隊鹽田藻類碳沉積相關研究成果。該研究聚焦嗜鹽藻類與嗜鹽菌協(xié)同促進高鹽生態(tài)環(huán)境中碳酸鹽的沉積現(xiàn)象,揭示了其背后的碳匯生物學過程和機制,為發(fā)展近海鹽田、內(nèi)陸鹽湖等水生環(huán)境中的碳匯提供了新的理論認知。
藻類通過光合作用貢獻了海洋中接近95%的初級生產(chǎn)力,同時固定了全球約50%的碳,是全球碳循環(huán)的重要組成部分。據(jù)估算,除海洋外,全球的含鹽水體占據(jù)內(nèi)陸總水量的44%,這其中包括大量高鹽堿湖泊和沿海鹽池。然而,由于含鹽較高(從海水鹽度至飽和鹽度),導致這種環(huán)境中生物組成相對簡單,它們的固碳能力和潛能也因此極少被關注,甚至被忽略。
該研究以杜氏鹽藻(Dunaliella salina)為例,通過對富含鹽藻及嗜鹽菌的天然鹽池環(huán)境進行沉積物采集,發(fā)現(xiàn)其中存在大量碳酸鹽形式的沉積物。對這些沉積物進行宏基因組分析,發(fā)現(xiàn)這些碳酸鹽沉積物上富集了光合作用與尿素降解相關的基因,且這些基因的富集與分布表現(xiàn)出層化現(xiàn)象,與碳酸鹽沉積程度密切相關。

在富含鹽藻及嗜鹽菌的鹽田生態(tài)環(huán)境中進行人工鹽藻養(yǎng)殖和沉積物采集

從鹽田沉積物環(huán)境中采集的碳酸鹽沉淀及其環(huán)境基因組分析表明表層碳酸鹽沉積與光合作用和尿素降解相關的基因關系密切
為解析鹽田光合藻類與細菌對碳酸鹽沉積的作用機制,研究團隊分離了鹽生環(huán)境中最具有代表性的光合自養(yǎng)微藻——杜氏鹽藻的共生菌涅斯捷連科氏菌(Nesterenkonia sp. HG001),并以二者作為研究對象,分別探索了鹽藻和涅斯捷連科氏菌在碳固定和移除上的作用與效果。結果表明,鹽藻與嗜鹽菌混合培養(yǎng)時嗜鹽菌可顯著促進鹽藻的生長,并且這種共培養(yǎng)可促進碳酸酐酶與脲酶等碳酸鹽沉積過程相關基因的表達。此外,碳酸鹽的沉積和溶解與藻類光合作用過程直接相關。

共生菌促進了鹽藻生長,同時鹽藻的光合作用可促進碳酸鹽沉積
同位素定量示蹤分析表明,共培養(yǎng)過程對外部CO2的吸收率提高了49.63%,并通過藻類光合作用等過程促進了沉積物中的碳同位素分餾,使CaCO3沉淀量增加了54.54%。為從生物學機制上解釋這些現(xiàn)象,本研究從藻類細胞生理、電化學、細胞生理等多層次對實驗室模擬條件下的菌藻共培養(yǎng)體系開展研究。

菌-藻共培養(yǎng)體系促進鹽酸鹽沉積并通過生物作用引起碳同位素分餾
結果表明,在高鹽液體環(huán)境中對菌藻進行共培養(yǎng),共生菌吸附在藻細胞表面,且引起培養(yǎng)微環(huán)境pH上升。原位離子微型探針定量分析表明Ca2+與H+在菌藻共存的條件下表現(xiàn)出了反向流動。此外,通過創(chuàng)新的菌藻隔離培養(yǎng)實驗,監(jiān)測到菌、藻之間在高鹽環(huán)境中可形成微環(huán)境pH差值并引起電勢差,均為解釋碳酸鹽沉積背后的生物學機制提供了新的數(shù)據(jù)支撐。

菌-藻隔離培養(yǎng)實驗表明二者之間存在電勢差促進Ca2+的移動
該研究通過野外和實驗室模擬數(shù)據(jù)表明,高鹽條件下菌藻協(xié)同的生物學作用對大氣CO2去除起到重要作用。據(jù)評估,我國近海鹽田和鹽湖環(huán)境每年可提供約1.36萬噸碳酸鹽形式的碳匯量,約占世界鹽水環(huán)境碳匯量的2.3%。該研究首次詳細記錄并表征了鹽藻以可封存碳形式促進碳匯,為高鹽水生環(huán)境開展生物碳匯提供技術和數(shù)據(jù)支撐。研究所獲得的數(shù)據(jù)及其生物學機制的解釋,對區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)高鹽生態(tài)環(huán)境的碳匯具有一定的啟示作用。研究團隊將立足鹽田生物資源及其產(chǎn)業(yè)化開發(fā),深入開展相關研究,為進一步發(fā)掘鹽田生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛能提供科技支撐。

鹽藻與共生菌促進碳沉積的生物學機制
中國科學院海洋研究所為論文第一完成單位,顧文輝副研究員為第一作者,王廣策研究員為通訊作者,天津長蘆漢沽鹽場參與了碳沉積調(diào)查等相關工作。研究得到了藻類產(chǎn)業(yè)技術體系、國家重點研發(fā)計劃、中國科學院海洋大科學研究中心重點部署項目等聯(lián)合資助。
論文信息:
Wenhui Gu, Songcui Wu, Xuehua Liu, Lijun Wang, Xulei Wang, Qi Qiu, Guangce Wang*, Algal-bacterial consortium promotes carbon sink formation in saline environment, Journal of Advanced Research,2023, https://doi.org/10.1016/j.jare.2023.08.004
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2090123223002084
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