大气沉降气溶胶和河流径流如何改变沿海海域的海洋磷循环？如何影响海洋生态系统
新的研究揭示了气溶胶和河流径流中的污染物如何影响沿海海洋。研究确定了一种“人为氮泵”，它改变了磷循环，因此可能改变了沿海生物多样性和相关的生态系统服务。
该研究由东英吉利大学与中国海洋大学中英联合研究中心共同牵头，探讨了气溶胶和河流径流对中国沿海水域微藻的影响。研究发现了一种“人为氮泵”，它改变了磷循环，从而可能改变了沿海生物多样性和相关的生态系统服务。
首席研究员、中国海洋大学东安格利亚大学环境学院客座博士生金浩宇表示：我们的工作为了解人为造成的水体富营养化后果奠定了基础，营养物质导致大量藻类繁殖，并使氮磷营养结构失衡。我们发现，河流和大气中硝酸盐作为废物的加入会大大减少沿海海洋中的磷酸盐，最终导致藻类的生长受到这种营养物质的限制。然而，其中一些能够接触到过去在沿海海洋中作用较小的磷，即溶解有机磷 (DOP)。浮游植物通常需要溶解无机磷 (DIP) 才能生长，但由于氮水平的增加限制了它的生长，微藻能够增强碱性磷酸酶的活性来利用溶解有机磷 (DOP)。
简而言之，这项研究成果主要研究了大气沉降和河流径流对沿海海域溶解有机磷利用的影响。研究发现，这些外部输入显著促进了沿海海域溶解有机磷的利用。换句话说，大气和河流将大量的有机磷物质带入海洋，这些物质在海洋中被微生物分解利用，从而影响海洋生态系统的生产力。
参考文献：Haoyu Jin, Chao Zhang, Siyu Meng, Qin Wang, Xiaokun Ding, Ling Meng, Yunyun Zhuang, Xiaohong Yao, Yang Gao, Feng Shi, Thomas Mock, Huiwang Gao. Atmospheric deposition and river runoff stimulate the utilization of dissolved organic phosphorus in coastal seas. Nature Communications, 2024; 15 (1) DOI: 10.1038/s41467-024-44838-7
一、什么是DOP？什么是DIP？
溶解有机磷 (DOP)： 是一种存在于水体中的有机化合物，磷元素以有机形式结合在分子中。这些有机磷化合物通常来自陆地上的植物、动物残骸、土壤腐殖质等，通过河流径流或大气沉降进入海洋。
溶解无机磷 (DIP)： 是指以无机盐形式存在的磷，如磷酸盐。DIP通常来自岩石风化、土壤侵蚀和人类活动产生的废水。
磷是海洋生物生长所必需的重要营养元素之一，它参与了生物体的能量代谢、遗传物质的合成等生命活动。DOP 和 DIP 作为海洋中的两种主要磷形态，对海洋生物的生长起着至关重要的作用：
DIP 是海洋生物最容易直接吸收利用的磷形态。浮游植物等初级生产者可以直接吸收 DIP，将其转化为有机磷，进而构建细胞物质。DIP 的充足与否直接影响海洋初级生产力的水平。
DOP 虽然不是海洋生物可以直接吸收利用的主要磷源，但它却是海洋磷循环中不可或缺的一环。海洋中的微生物可以通过分泌碱性磷酸酶等酶，将 DOP 水解为 DIP，从而使 DOP 成为海洋生物的潜在磷源。此外，DOP 还可以在海洋中长期储存，并在特定的环境条件下缓慢释放 DIP，为海洋生态系统提供持续的磷输入。
DOP 和 DIP 在海洋生态系统中相互转化，共同维持着海洋磷循环的平衡。海洋生物在生长过程中会将吸收的 DIP 转化为有机磷，并通过死亡、排泄等过程释放到水中，形成 DOP。海洋中的微生物可以将 DOP 水解为 DIP，使 DOP 成为 DIP 的潜在来源。
二、大气沉降和河流径流对溶解有机磷的利用有何具体影响？
Haoyu Jin等人的研究明确指出，大气沉降和河流径流显著促进了沿海海域溶解有机磷的利用。这一结论基于一系列实验和数据分析得出，其主要影响体现在以下几个方面：
1. 提高溶解有机磷的生物可利用性
- 酶活性的增强： 大气沉降和河流径流带来的氮等营养物质，促使海洋微生物生长，进而提高了它们分泌碱性磷酸酶等酶的活性。这些酶能够将复杂的溶解有机磷分子水解为简单的无机磷，使得磷元素更容易被浮游植物等初级生产者吸收利用。
- 微生物群落结构的改变： 大气沉降和河流径流带来的有机物和营养盐，改变了海洋微生物群落的组成和结构，促进了能够高效利用溶解有机磷的微生物的生长。
2. 促进浮游植物生长
- 缓解磷限制： 在沿海海域，磷往往是限制浮游植物生长的关键营养元素。大气沉降和河流径流带来的氮和磷，缓解了浮游植物的磷限制，促进了它们的生长。
- 增加初级生产力： 浮游植物作为海洋食物链的基础，其生长量的增加直接带动了整个海洋生态系统的生产力。
3. 影响海洋生态系统结构和功能
- 食物网结构变化： 浮游植物生长量的增加，会影响以浮游植物为食的浮游动物和鱼类的数量和种类，从而改变整个海洋食物网的结构。
- 碳循环影响： 浮游植物的初级生产力增加，意味着更多的碳被固定，从而影响海洋碳循环。
4. “人为源氮泵”机制
- 氮输入的驱动作用： 研究者提出了一种新的机制——“人为源氮泵”。即，大气沉降和河流径流带来的大量氮，加剧了海洋的磷限制，迫使浮游植物提高对溶解有机磷的利用能力，从而实现生长。
总结来说， 大气沉降和河流径流通过增加营养盐输入、改变微生物群落结构、缓解磷限制等方式，显著促进了沿海海域溶解有机磷的利用，进而影响了整个海洋生态系统的结构和功能。
三、这项研究的意义
Haoyu Jin等人的这项研究通过深入探究大气沉降和河流径流对溶解有机磷利用的影响，为我们理解海洋生态系统和评估人类活动对海洋环境的影响提供了重要的科学依据。
1. 深化了对海洋磷循环的认识
- 磷来源多样性： 该研究表明，除了传统的无机磷来源，溶解有机磷也是海洋生态系统中重要的磷来源，且其利用受到大气沉降和河流径流的显著影响。
- 微生物作用： 研究揭示了海洋微生物在溶解有机磷转化和利用中的关键作用，丰富了我们对海洋微生物生态学的认识。
2. 揭示了人类活动对海洋生态系统的影响机制
- 氮磷耦合作用： 研究发现，人为活动导致的氮输入加剧了海洋的磷限制，促使浮游植物更有效地利用溶解有机磷，这揭示了氮磷耦合作用在海洋生态系统中的重要性。
- “人为源氮泵”机制： 该研究提出的“人为源氮泵”机制，为我们理解人类活动如何通过改变海洋生物地球化学循环，进而影响海洋生态系统提供了新的视角。
3. 为海洋生态保护提供了科学依据
- 污染控制： 研究结果表明，减少大气污染和河流污染，可以降低溶解有机磷的输入，从而减缓海洋富营养化和赤潮等问题的发生。
- 生态修复： 对于已经受到污染的海洋生态系统，可以根据研究结果，有针对性地采取生态修复措施，例如控制外源营养盐输入、增加栖息地多样性等。
4. 为全球气候变化研究提供了新思路
- 碳循环： 海洋是全球碳循环的重要组成部分，溶解有机磷的利用会影响海洋初级生产力，进而影响海洋碳的固定。
- 气候反馈机制： 研究结果为我们理解气候变化与海洋生态系统相互作用提供了新的线索，有助于我们更好地预测未来气候变化对海洋生态系统的影响。
四、思考
不同来源的溶解有机磷（如陆源、海洋自生）的分子组成有何差异？不同分子结构的溶解有机磷对微生物的生物可利用性有何差异？环境因子（如温度、盐度、pH）如何影响溶解有机磷的分子组成及其生物可利用性？
不同微生物类群对溶解有机磷的利用机制有何差异？微生物基因组中与溶解有机磷代谢相关的功能基因有哪些？环境因子如何调控微生物对溶解有机磷的利用基因表达？
大气沉降和河流径流中不同形态的磷（如颗粒态磷、溶解态磷）对海洋生态系统的影响有何差异？大气沉降和河流径流对海洋酸化、缺氧等其他环境问题的耦合效应如何？气候变化背景下，大气沉降和河流径流对海洋生态系统的影响有何变化？
溶解有机磷的利用如何影响海洋初级生产力和有机碳的埋藏？溶解有机磷在海洋碳泵中的作用是什么？溶解有机磷的利用如何影响海洋碳的长期储存？
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