近日，廈門大學海洋與地球學院、近海海洋環境科學國家重點實驗室海洋計算生物地球化學研究組羅亞威副教授在Frontiers in Microbiology期刊以“A competitive advantage of middle-sized diatoms from increasing seawater CO₂”為題發表研究論文，提出在未來海洋CO₂上升的背景下，中粒徑硅藻可能獲得競爭優勢。該研究對預測硅藻群落結構的變化具有重要科學意義。

硅藻貢獻了近一半的海洋總初級生產力；同時由于其相對大的粒徑，硅藻成為海洋生物碳泵的最主要貢獻者之一。過去普遍認為，大粒徑硅藻比表面積小、光合作用更受CO₂限制，故從CO₂上升中獲益更大；大粒徑硅藻沉降速度快、生物碳泵增加，可以對大氣CO₂上升形成負反饋，緩解氣候變暖。

針對這一假設，本研究提出不同看法。海水中無機碳的主要存在形式為HCO₃^-，CO₂和CO₃^2-，硅藻為了滿足其生長所需的無機碳，除了可以基本不消耗能量地被動從海水中獲得CO₂外，還能通過消耗代謝能量、主動吸收海水中的HCO₃^-。本研究建立了一個硅藻生理生態數值模型（圖1），對于給定粒徑的硅藻，計算海水CO₂在不同濃度下通過擴散和碳酸鹽平衡能夠供給硅藻的最大速率，并結合胞內能量在“吸收HCO₃^-”和“生長”兩個過程間的最優化分配，估算硅藻的生長速率。

圖1. 硅藻生態生理模型基本結構

模型結果（圖2）顯示：硅藻生長速率對海水CO₂上升的響應（Growth Rate Response, GRR）與其粒徑呈現一個單峰型關系，即中粒徑（約7 μm）的硅藻生長速率相對上升最多。

圖2. 模型模擬結果：在海水CO₂低濃度（LC：10 μM）和高濃度（HC：20 μM）條件下，硅藻生長速率（A）和GRR（B）隨細胞直徑的變化

模型闡述了出現此單峰型關系的主要原因：1）硅藻粒徑非常小時，低CO₂已經足以供給其無機碳需求，所以CO₂上升不產生顯著效應。2）隨著硅藻粒徑增大，CO₂供給不足、硅藻開始耗能吸收HCO₃^-來彌補碳需求；而CO₂上升則可以增加碳供給、減少吸收HCO₃^-耗能、使得GRR逐步增加。3）但是，隨著硅藻粒徑進一步增大，CO₂在其吸收的碳中比例變小，硅藻對海水CO₂的增加逐步變得不敏感，GRR下降。

對硅藻CO₂加富實驗的歷史GRR數據進行加富程度糾正并分析（圖3），發現了與本研究結論較為一致的幾個特征：1）總體而言，GRR并沒有隨細胞粒徑增加而顯著上升；2）較高的GRR基本發生在3-7 μm粒徑；3）對于粒徑分布范圍最廣的硅藻屬——海鏈藻屬（Thalassiosira spp.），GRR與粒徑呈負相關關系。

圖3. 硅藻CO₂加富實驗的GRR歷史數據與細胞粒徑的關系

將此模型應用于全球變化RCP 8.5（business-as-usual）場景，初步預測至本世紀末，在熱帶海洋較小粒徑的硅藻從海洋CO₂上升中的獲益更大，而在其他海域較大粒徑的硅藻獲益更大（圖4）。

圖4. 初步預測的RCP 8.5場景下本世紀內從海水CO₂上升獲益最高的硅藻粒徑

硅藻生長速率對海洋CO₂升高的響應可能受多種因素影響，本研究從硅藻吸收不同形式無機碳的速率隨細胞粒徑和CO₂濃度變化的角度，揭示了其中最直接的因素之一，提出在未來高CO₂的海洋中，中粒徑硅藻可能具有競爭優勢，對預測硅藻群落結構的變化有重要科學意義。若本研究所提出的機制占主導地位，則大粒徑硅藻的豐度在未來高CO₂海洋中可能不會顯著增加，因而不能促進生物碳泵的效率。

廈門大學碩士生張琦為論文第一作者，其本科期間即以廈門大學海洋拔尖計劃學生身份加入羅亞威副教授（本文通訊作者）領銜的海洋計算生物地球化學研究組，并在取得碩士學位后前往美國喬治亞理工大學地球與大氣學院攻讀博士學位。本研究獲得國家自然科學基金重大項目Carbon-FE（41890802）、面上項目（42076153）和國家重點研發計劃項目（2016YFA0601404）的資助。

論文鏈接：

Zhang, Q., and Y.-W. Luo* (2022), A competitive advantage of middle-sized diatoms from increasing seawater CO₂, Front. Microbiol., 13, 838629, https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.838629.