波罗的海微米与微微米浮游生物群落中生物硅的季节动态与营养控制机制研究

这篇研究首次系统揭示了波罗的海（Baltic Sea）硅充足水域中微米（>3 μm）与微微米（0.22–3 μm）浮游生物群落对生物硅（bSi）循环的贡献规律。通过两年时间序列与季节性微宇宙实验，发现微米浮游生物bSi动态与硅藻生物量直接相关，而微微米浮游生物全年贡献可达21.6%，且磷（PO43?）添加显著促进其bSi积累。成果为气候变暖背景下浮游群落演替对碳硅耦合循环的影响提供了新视角。

　　

ABSTRACT

波罗的海作为半封闭富硅水域，其生物硅（bSi）循环长期被认为由硅藻主导。近年研究发现，微微米级浮游生物（<2–3 μm）如聚球藻（Synechococcus）和微微型真核生物（PPE）可能参与其中，但机制不明。本研究通过两年高频采样和四季微宇宙实验，首次量化了该海域微米（>3 μm）与微微米（0.22–3 μm）浮游生物的bSi贡献。结果显示，微米浮游生物bSi与硅藻生物量显著相关，而微微米浮游生物贡献率全年达1.1%–21.6%，且在磷添加实验中普遍提升。这一发现为理解非传统生物硅化生物的生态角色提供了关键证据。

INTRODUCTION

海洋硅循环长期聚焦于硅藻等传统生物硅化生物，但近年研究表明，缺乏硅质结构的微微米浮游生物也能积累bSi。波罗的海表层水溶解硅（dSi）浓度达10–20 μmol L^?1，远高于寡营养海域，但此前缺乏bSi动态研究。该海域浮游群落呈现季节更替：春季硅藻水华逐渐被甲藻取代，而微微米浮游生物（以蓝藻和PPE为主）占比达15%–85%。实验室证实本地分离株具有bSi积累能力，但自然群落的贡献与调控机制仍是空白。

MATERIALS AND METHODS

研究依托波罗的海林奈浮游观测站（LMO）开展两年月度采样（2021–2023），同步进行春（SPR）、夏（SUM）、秋（AUT）、冬（WIN）四季微宇宙实验。通过分级过滤（0.22–3 μm和>3 μm）测定bSi，结合流式细胞术、显微镜计数和16S rRNA基因测序分析群落。微宇宙实验设置6种营养盐处理（对照、NH₄⁺、NO₃^?、PO₄^3?及其组合），监测65小时内bSi与生物量变化。

RESULTS

时间序列数据显示，微米浮游生物bSi（0.09–1.81 μmol L^?1）与叶绿素a显著正相关，秋季峰值对应硅藻生物量增加。微微米浮游生物bSi贡献率在春季达21.6%，且与铵盐（NH₄⁺）浓度正相关。微宇宙实验中，磷添加使SUM期微微米bSi提升2倍，且所有季节中bSi均与磷浓度显著正相关（Spearman ρ>0.6）。微米bSi则与硅藻碳生物量直接关联，如AUT期硅藻占比29%时bSi达2.87 μmol L^?1。

DISCUSSION

本研究揭示波罗的海bSi循环的双通道模式：硅藻主导微米级bSi生产，而微微米浮游生物通过磷敏感机制参与。气候变暖可能导致硅藻水华减弱和微微米生物占比上升，进而改变硅循环格局。磷对微微米bSi的调控作用暗示其可能通过替代代谢途径（如多磷酸盐存储）耦合硅吸收，这为解析非传统生物硅化机制提供了新方向。未来需结合单细胞技术（如同步辐射X射线荧光显微镜）区分不同类群的贡献，并关注长期气候变化对硅-碳耦合的影响。

IMPORTANCE

作为首个波罗的海bSi分粒径研究，本文填补了富硅环境中微微米浮游生物作用的认知空白。发现磷驱动的bSi积累现象为理解海洋硅循环的“隐性”途径提供了实验依据，对预测浮游群落演替下的元素循环具有范式意义。