鲸鱼排泄物，如何提高铁的利用率并降低海洋中的铜毒性

鲸鱼通过排泄物将微量元素重新注入表层海洋，这一过程被称为“鲸泵”。近日一项新的研究吸人了人们的眼球，研究表明，鲸鱼排泄物中的有机配体可以在促进铁的生物利用度和降低海洋环境中铜的毒性方面发挥关键作用，鲸鱼通过排泄物将高生物可利用性的铁和低毒性的铜注入表层海洋，促进了海洋初级生产。

有机配体在海洋化学中的作用

有机配体是天然存在的分子，是由海洋微生物产生的，能够与金属离子结合形成复合物，从而改变这些金属在水环境中的化学行为，这些配体对于控制海洋生态系统中必需金属的溶解度、运输和生物利用度至关重要。这项研究集中于两种主要金属：铁和铜，它们都在海洋生物地球化学中发挥着重要作用。

铁是海洋浮游植物的重要营养物质，而浮游植物是海洋初级生产的主要来源。尽管铁非常重要，但其在表层海水中的供应量往往有限，主要是因为铁往往会从溶液中沉淀出来，无法被生物利用。浮游植物需要溶解的铁来产生叶绿素并进行光合作用，这使得铁成为维持海洋食物网的关键营养物质。

虽然铜也是一种必需的微量元素，在电子传递等细胞过程中发挥着关键作用，但高浓度的铜会对海洋生物产生毒性。铜毒性会破坏酶的功能，抑制浮游植物的光合作用，并损害海洋生物的鳃，导致生物多样性和生态系统健康的下降。因此，控制海洋中的铜浓度对于维持海洋生物的平衡至关重要。

有机配体与铁相互作用时有助于溶解和运输铁，防止铁沉淀出来，将铁保持为浮游植物可生物利用的形式，促进海洋生物吸收铁，最终支持整个海洋食物链的生产力。而有机配体与铜的关系则通过与铜离子结合，从而降低水中游离、未络合铜的浓度，有助于减轻铜的毒性，可防止铜以有害的方式与生物系统相互作用。

新的研究发现

鲸鱼通过排泄物将高生物可利用性的铁和低毒性的铜注入表层海洋，支持了海洋初级生产。然而，关于鲸鱼排泄物中微量元素的化学形态及其生物可利用性的研究非常有限，尤其是铁和铜的有机配体的作用尚未得到充分理解。

近日，一项新的研究通过对五种鲸鱼排泄物的化学分析，揭示了其中的铁和铜的化学形态，通过多种先进的化学分析方法，来测量排泄物中的溶解态铁和铜浓度，并表征了与这些金属结合的有机配体。

研究发现，鲸鱼排泄物中含有高浓度的溶解态铁，鲸鱼排泄物中的溶解态铁浓度范围在238nM~12.6μM之间，而南大洋表层海水的典型浓度小于1nM，鲸鱼排泄物中的溶解态铁浓度远高于南大洋表层海水中的浓度。这些溶解态铁主要与弱结合和中等结合的有机配体结合，而与弱结合配体结合的游离铁浓度较高，这些配体增强了铁的稳定性和潜在的生物可利用性。

同时，鲸鱼排泄物中也含有极高浓度的溶解态铜，鲸鱼排泄物中的溶解态铜浓度范围在4.54μM~198μM之间，远高于海水中的典型浓度，但这些溶解态铜主要与强结合的有机配体结合，可以显著降低游离铜的浓度，使其低于浮游植物毒性阈值。此外，研究还发现了47种新的铜结合配体，这些配体可能来源于鲸鱼肠道微生物对铜的解毒作用。

研究人员也指出，由于20世纪鲸鱼的过度捕捞导致鲸鱼数量大幅减少，从而减少90%以上的铁循环，这种变化可能对南大洋的生态系统结构和初级生产力产生了深远影响。

这项研究通过详细的化学分析，揭示了鲸鱼排泄物中铁和铜的化学形态及其对海洋生态系统的影响，鲸鱼通过排泄物将高生物可利用性的铁和低毒性的铜注入表层海洋，支持了海洋初级生产。

对海洋健康和气候变化的更广泛影响

这些发现的影响深远，特别是在海洋健康和气候变化方面。鲸鱼排泄物中的有机配体提供的铁含量增加，可能对全球初级生产力和碳封存产生重大影响。浮游植物在海洋碳泵中起着至关重要的作用，在光合作用过程中吸收二氧化碳并将其输出到深海。通过促进浮游植物的生长，鲸鱼排泄物可以帮助提高海洋在缓解气候变化方面的作用效率。

此外，控制海洋中的铜毒性可能对海洋生物多样性产生重要影响。过量的铜会对从浮游植物到鱼类等各种海洋生物造成危害。通过降低铜的毒性，鲸鱼排泄物有助于在人类污染日益增加的情况下维持生态系统健康和生物多样性。

除了生态影响外，这项研究还强调了海洋哺乳动物在维持海洋生态系统健康方面的重要性。鲸鱼在营养循环和海洋化学中的作用凸显了它们更广泛的生态意义，而不仅仅是它们作为魅力十足的巨型动物的地位。

思考

虽然研究表明鲸鱼排泄物可以提高铁的生物利用度并降低铜的毒性，但不同的鲸鱼种群是否不同？

参考文献：Patrick J. Monreal, Matthew S. Savoca, Lydia Babcock-Adams, Laura E. Moore, Angel Ruacho, Dylan Hull, Logan J. Pallin, Ross C. Nichols, John Calambokidis, Joseph A. Resing, Ari S. Friedlaender, Jeremy Goldbogen & Randelle M. Bundy ，Organic ligands in whale excrement support iron availability and reduce copper toxicity to the surface ocean. Communications Earth & Environment volume 6, Article number: 20 (2025) ，doi.s43247-024-01965-9

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