海洋所在鹽田藻類(lèi)生物碳匯研究方面取得新進(jìn)展
近日,愛(ài)思唯爾出版集團(tuán)旗下國(guó)際期刊Journal of Advanced Research刊登了中國(guó)科學(xué)院海洋研究所藻類(lèi)生理過(guò)程與精準(zhǔn)分子育種團(tuán)隊(duì)鹽田藻類(lèi)碳沉積相關(guān)研究成果。該研究聚焦嗜鹽藻類(lèi)與嗜鹽菌協(xié)同促進(jìn)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(xué)過(guò)程和機(jī)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(rèn)知。
藻類(lèi)通過(guò)光合作用貢獻(xiàn)了海洋中接近95%的初級(jí)生產(chǎn)力,同時(shí)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(dǎo)致這種環(huán)境中生物組成相對(duì)簡(jiǎn)單,它們的固碳能力和潛能也因此極少被關(guān)注,甚至被忽略。
該研究以杜氏鹽藻(Dunaliella salina)為例,通過(guò)對(duì)富含鹽藻及嗜鹽菌的天然鹽池環(huán)境進(jìn)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(duì)這些沉積物進(jìn)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(guān)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(guān)。

在富含鹽藻及嗜鹽菌的鹽田生態(tài)環(huán)境中進(jìn)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(guān)的基因關(guān)系密切
為解析鹽田光合藻類(lèi)與細(xì)菌對(duì)碳酸鹽沉積的作用機(jī)制,研究團(tuán)隊(duì)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(duì)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(jié)果表明,鹽藻與嗜鹽菌混合培養(yǎng)時(shí)嗜鹽菌可顯著促進(jìn)鹽藻的生長(zhǎng),并且這種共培養(yǎng)可促進(jìn)碳酸酐酶與脲酶等碳酸鹽沉積過(guò)程相關(guān)基因的表達(dá)。此外,碳酸鹽的沉積和溶解與藻類(lèi)光合作用過(guò)程直接相關(guān)。

共生菌促進(jìn)了鹽藻生長(zhǎng),同時(shí)鹽藻的光合作用可促進(jìn)碳酸鹽沉積
同位素定量示蹤分析表明,共培養(yǎng)過(guò)程對(duì)外部CO2的吸收率提高了49.63%,并通過(guò)藻類(lèi)光合作用等過(guò)程促進(jìn)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(xué)機(jī)制上解釋這些現(xiàn)象,本研究從藻類(lèi)細(xì)胞生理、電化學(xué)、細(xì)胞生理等多層次對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬條件下的菌藻共培養(yǎng)體系開(kāi)展研究。

菌-藻共培養(yǎng)體系促進(jìn)鹽酸鹽沉積并通過(guò)生物作用引起碳同位素分餾
結(jié)果表明,在高鹽液體環(huán)境中對(duì)菌藻進(jìn)行共培養(yǎng),共生菌吸附在藻細(xì)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(dòng)。此外,通過(guò)創(chuàng)新的菌藻隔離培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),監(jiān)測(cè)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(shì)差,均為解釋碳酸鹽沉積背后的生物學(xué)機(jī)制提供了新的數(shù)據(jù)支撐。

菌-藻隔離培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明二者之間存在電勢(shì)差促進(jìn)Ca2+的移動(dòng)
該研究通過(guò)野外和實(shí)驗(yàn)室模擬數(shù)據(jù)表明,高鹽條件下菌藻協(xié)同的生物學(xué)作用對(duì)大氣CO2去除起到重要作用。據(jù)評(píng)估,我國(guó)近海鹽田和鹽湖環(huán)境每年可提供約1.36萬(wàn)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(xì)記錄并表征了鹽藻以可封存碳形式促進(jìn)碳匯,為高鹽水生環(huán)境開(kāi)展生物碳匯提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。研究所獲得的數(shù)據(jù)及其生物學(xué)機(jī)制的解釋?zhuān)瑢?duì)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(tuán)隊(duì)將立足鹽田生物資源及其產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā),深入開(kāi)展相關(guān)研究,為進(jìn)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(jìn)碳沉積的生物學(xué)機(jī)制
中國(guó)科學(xué)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(zhǎng)蘆漢沽鹽場(chǎng)參與了碳沉積調(diào)查等相關(guān)工作。研究得到了藻類(lèi)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心重點(diǎn)部署項(xiàng)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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