海洋酸化如何影响浮游植物？6年的实地观测揭示关键机制
海洋吸收了人类排放的约30%的二氧化碳，导致海水pH值下降海洋酸化，海洋酸化对浮游植物？统一物种的浮游植物影像是否相同？不同的浮游植物影像又有什么差异呢？最近一项新的研究，通过6年的实地观测，揭示了海洋酸化如何影响浮游植物群落及影响程度。
同一物种浮游植物如何应对海洋酸化
浮游植物虽小，却是海洋生态系统的核心，它们通过光合作用贡献了全球约45%的净初级生产力，但浮游植物对海洋酸化有什么反应呢？由爱丁堡大学和德国阿尔弗雷德·魏格纳研究所的科学家合作完成的一项研究，量化了同一物种的不同种群对海洋酸化的不同的反应。
研究团队选择了Ostreococcus tauri微小绿藻作为研究对象，这种藻类广泛分布于全球海洋，从表层到深海均有分布，并且已经分化出适应不同环境的生态型。收集的16种不同的生态型分别来自地中海、大西洋等海域的不同深度，以代表该物种的自然多样性，探讨统一物种不同生态型对高CO₂的生理响应是否一致。
研究研究团队在实验室中模拟了两种CO₂环境，分别为380ppm和预测2100年1000ppm水平。研究发现，所有生态型都受益于高CO₂，但幅度不同，它们的生理变异幅度可能已经超过了种群差异，这种种内多样性影响可能被严重低估。
在1000 ppm CO₂下，所有绿藻生态型的生长速度均比当前环境快，但增幅差异显著，最低的仅提高6%，而最高的提高了90%。这种差异表明，即使同一物种，不同种群对相同的环境变化可能有完全不同的反应。
在光合作用方面，高CO₂环境下，光合速率平均提高了40%，但不同生态型的响应差异极大，影响范围跨度2%~118%。深海生态型虽然光合速率高，但对CO₂升高的反应较弱，其竞争优势可能下降；而地中海表层生态型对环境变化的调整能力更强。
在细胞体型方面，高CO₂环境下，研究对象的细胞体积平均增大了48%，可以储存更多的碳，然而，碳氮比也显著上升，表明细胞内的氮含量相对减少，对于以浮游植物为食的浮游动物来说，这可能意味着食物质量下降，进而影响整个食物链的效率。
进一步研究发现，93%的生理变异由可塑性解释，表层生态型可塑性最强，可能由于表层海水CO₂波动更大，长期进化压力塑造了它们的适应能力；而深海生态型可塑性较低，其环境相对稳定。
海洋酸化对不同浮游植物影响有什么区别？
近日，由厦门大学近海海洋环境科学国家重点实验室引导的一项研究，选择了西太平洋的45个站点，从北太平洋副热带环流到南海北部，覆盖了典型的热带寡营养海域。他们通过48次船载实验模拟了未来CO₂浓度700μatm海洋的酸化条件，并与当前环境CO₂水平进行对比，测量了浮游植物的生产力、群落结构和环境参数。
实验结果显示，在营养贫乏的北太平洋副热带环流区，高CO₂条件下浮游植物的初级生产力在夏季平均下降了30%，冬季下降了15%。在南海北部的下降幅度较小约15%，而副热带环流北端的过渡带则未观察到显著变化。这一差异与各区域的营养盐供应密切相关，副热带环流的硝酸盐跃层深度达129米，远高于南海46米和过渡带35米。
通过流式细胞术分析，研究人员发现，生产力下降的主要为真核浮游植物，如金藻、定鞭藻等。在副热带环流夏季，它们的丰度减少了30%，而原核浮游植物如原绿球藻和聚球藻的丰度几乎不变，甚至在南海北部略有增加。表明原核生物能高效利用稀缺营养盐，且对CO₂变化不敏感。
为什么真核浮游植物更易受酸化影响？进一步实验发现，当向副热带环流水体添加2μM硝酸盐后，酸化导致的初级生产力下降被显著缓解，表明，氮限制是关键因素。在贫营养环境中，真核浮游植物需要分配更多能量维持细胞功能，而酸化可能加剧了这一负担。相比之下，原核生物如原绿球藻已进化出极端的营养利用效率，能在氮浓度低于0.1 μM时存活。
在上一个研究中，我们已经看到了Ostreococcus tauri真核浮游植物在高CO₂环境，生长速度、光合作用效率、细胞大小都显著提升，这些都是基于实验室环境培养，在最后也指出，碳氮比也显著上升。最新的这项研究在贫营养海域，N受到限制，当添加硝酸盐，酸化导致的初级生产力下降被显著缓解。从这里可以看出，不同环境条件下浮游植物的也会有不同反应。
图：整个西北太平洋整体群落水平初级生产力对海洋酸化的响应🔽
A ）本研究中进行的CO 2富集实验的位置（黄点）。背景是年平均表面硝酸盐浓度。NSCS，南海北部；NPSG，北太平洋亚热带环流；NPTZ，北太平洋过渡区。详细的站点和组信息显示在SI 附录、图 S3和数据集 S2和S3 中。 ( B ) 酸化后北太平洋副热带环流春末和夏季（5 月至 8 月，亚热带环流-s）和冬季（12 月至 2 月，亚热带环流-w）、南海春末和夏季（5 月至 8 月）（南海）和北太平洋过渡区（过渡区）初级生产力的相对变化 [(酸化 – 环境)/环境]。图中的每个黑点代表每个 CO 2富集实验中两个或三个生物重复的平均初级生产率相对变化。黑色虚线（y = 0）表示在 CO 2富集下没有变化。对于每个箱线图：箱从数据的下四分位数延伸到上四分位数（Q1 和 Q3），在中位数（Q2）处有一条线。须从箱线延伸出来以显示数据的范围，其定义如下：其中 IQR 是四分位距（Q3-Q1），上面的须将延伸到小于 Q3 + 1.5 × IQR 的最后一个数据点，下面的须将延伸到大于 Q1 – 1.5 × IQR 的第一个数据点。白色符号表示每个定义组的平均相对变化（n 表示在每个组中进行的 OA 孵育实验的数量）。使用学生t检验评估 OA 引起的正面或负面影响的统计显着性，并用星号标记（ P < 0.001 和SI 附录，表 S1）。使用单因素方差分析和 Tukey-HSD 事后检验（P < 0.05）来检验四个定义组之间的显着差异，并在箱线图上方用字母标记（标有相同字母的箱线图在统计上无法区分）。
❓思考题：海洋酸化会导致哪种浮游植物的数量显著减少？
A.原绿球藻（蓝藻）
B.聚球藻（蓝藻）
C.小型真核浮游植物
D.大型海藻
参考答案：（点击查看）
C.
解析：研究发现，海洋酸化主要影响小型真核浮游植物（如金藻、定鞭藻），它们在副热带环流区减少达30%，而原核蓝藻（如原绿球藻、聚球藻）数量变化不显著。海带属于大型藻类，不在本研究范围内。
这项研究的意义不仅在于揭示了浮游植物的响应规律，更提醒我们，海洋酸化的影响更广，尤其是热带寡营养海域，若其生产力持续下降，可能削弱海洋吸收CO₂的能力。
参考文献：Eukaryotic phytoplankton drive a decrease in primary production in response to elevated CO2 in the tropical and subtropical oceans. March 10, 2025，122 (11) e2423680122，doi.org/10.1073/pnas.2423680122