藻华期间海浪飞沫气溶胶的日排放量

《Environmental Science & Technology》：Diurnal Emissions of Sea Spray Aerosols in Algal Blooms

海盐气溶胶（SSA）浓度在混合藻类和单细胞藻类高甲藻（G. huxleyi）的 blooms及 demise 阶段呈现昼夜差异与整体下降趋势，表明光合作用可能通过增强气泡形成促进日间 SSA 释放，而病毒感染诱导的透明外聚合物（TEP）积累和有机碳（POC）增加则抑制 SSA 生成。

　　海雾气溶胶（Sea Spray Aerosols, SSA）是海洋表面通过物理和生物过程产生的微小气溶胶颗粒，它们在大气化学、地球辐射平衡、云层形成、降水特性以及海洋生态系统中发挥着重要作用。尽管已有大量研究关注SSA的物理特性、数量和组成，但微生物活动对SSA生成和排放的直接影响仍不明确。为了深入理解海洋微生物活动对SSA的影响，我们开展了一项实验，研究在人工诱导的藻类暴发过程中SSA数量浓度（N_SSA）的变化。通过在三个封闭的水体舱（mesocosm enclosures）中进行为期24天的实验，我们观察到两种主要的SSA变化模式：一种是与昼夜节律相关的波动，另一种是随着藻类暴发的发展和消退而逐渐减少的趋势。

实验地点位于挪威的Raunefjord，我们使用了三种透明的水体舱，它们被固定在浮架上并连接到一个浮筏上。每个水体舱填充了11,000升的峡湾海水，并在实验开始前一天被自然浮游生物群落所填充。随后，我们在实验过程中逐步向水体中添加营养物质，以促进特定藻类的生长。实验期间，我们每天早晨对水体进行采样，监测浮游植物、细菌、透明胞外聚合物颗粒（TEPs）等生物和生物地球化学参数的变化。同时，我们利用人工气泡破裂的方法，测量了不同时间点的SSA数量浓度，以分析藻类暴发阶段对SSA排放的影响。

在实验过程中，我们观察到水体中的藻类群落经历了两个主要阶段：首先是混合藻类暴发，其次是广泛出现的钙质藻类Gephyrocapsa huxleyi（G. huxleyi）及其随后的消亡阶段。SSA数量浓度的变化呈现出两个显著的特征：一是每日的波动，白天的浓度高于夜间；二是随着藻类暴发的持续，SSA浓度呈现出逐渐下降的趋势，其中在混合藻类暴发阶段达到峰值，而在G. huxleyi暴发及其消亡阶段则明显减少。这一现象可能与藻类生长过程中产生的生物化学物质有关，尤其是TEPs和有机碳颗粒（POC）的积累，它们能够作为表面活性剂，通过改变表面张力，抑制SSA的生成和排放。

我们对SSA的昼夜变化进行了详细分析，并发现这种变化可能与光合作用过程有关。在白天，光合作用产生的氧气可能促进了气泡的形成，从而增加了SSA的排放量。然而，在G. huxleyi暴发期间，由于TEPs和POC的大量积累，这些表面活性物质可能抑制了气泡的形成和破裂，导致SSA数量浓度下降。此外，我们还注意到，在G. huxleyi消亡阶段，随着这些物质的释放，SSA的排放再次发生变化，表明藻类暴发的不同阶段对SSA的生成具有不同的影响。

为了进一步探讨这些变化背后的机制，我们分析了水体中各种生物和物理参数与SSA数量浓度之间的关系。结果表明，TEPs和POC浓度与SSA数量浓度之间存在显著的负相关关系，这支持了它们作为抑制SSA生成的表面活性物质的假设。同时，我们发现纳米浮游植物和微微浮游植物的浓度与SSA数量浓度也存在一定的相关性，这表明不同藻类种类对SSA的影响具有选择性。相比之下，G. huxleyi的细胞浓度和病毒（EhV）的丰度与SSA数量浓度之间没有明显的关联，这可能意味着这些生物因素对SSA的影响较小。

实验还揭示了SSA的昼夜变化与水体温度、盐度和叶绿素-a浓度之间的关系。尽管这些参数在实验期间有所变化，但它们并不能完全解释SSA的昼夜波动。因此，我们推测，这种波动可能是由其他生物过程引起的，例如光合作用产物的释放，这些产物可能通过改变气泡的形成和破裂过程，进而影响SSA的生成。此外，我们注意到，在G. huxleyi暴发阶段，由于其产生的大量表面活性物质，SSA的排放受到了抑制，这可能对海洋上空的云层形成和辐射平衡产生影响。

本研究的发现对于理解海洋微生物活动对SSA生成和排放的复杂影响具有重要意义。首先，我们确认了SSA的昼夜波动是一个普遍现象，这可能在不同海洋环境中普遍存在。其次，我们发现，随着藻类暴发的发展，SSA的排放量会逐渐减少，这表明藻类种类和数量对SSA的影响具有动态性和阶段性。最后，我们的研究结果强调了在气候变化背景下，G. huxleyi等藻类的分布和活动可能对海洋气溶胶的生成和排放产生重要影响。因此，未来的气候模型需要考虑这些生物因素，以更准确地预测海洋气溶胶的动态变化及其对全球气候系统的影响。