硅调控海洋硅藻镉替代锌的分子机制及其在重金属解毒中的生态意义

为探究硅(Si)如何影响镉(Cd)替代锌(Zn)的生理过程，研究人员以海洋硅藻Thalassiosira weissflogii为模型，发现高Si条件下Cd可部分替代Zn功能，提升光合效率(Fv /Fm↑6%，ETRmax ↑15%)并下调CDCA基因表达，揭示了Si通过稳定硅壳结构优化金属利用的机制，为海洋重金属污染治理提供新思路。

　　

海洋环境中重金属污染与营养元素限制是当前生态研究的焦点。镉(Cd)作为典型有毒金属，却在锌(Zn)匮乏海域被硅藻替代性利用，而硅(Si)作为硅藻细胞壁的关键组分，其调控机制尚不明确。这项由福建自然基金和中国国家自然科学基金支持的研究，通过解析Si-Cd-Zn三元互作机制，为理解海洋微生物适应极端环境的策略提供了突破性证据。

研究团队采用人工海水培养系统，通过控制Si浓度(86/17.2 μmol L^?1
)和金属添加(Zn/Cd)，结合光合参数测定(F_v
/Fm、ETR_max
)、酶活性分析(CA、APA)及基因表达检测(CDCA)，系统评估了Thalassiosira weissflogii的生理响应。

生长与叶绿素a含量
在Zn限制条件下，Cd使生物量增长18.6%、叶绿素a提升22.4%，但Zn组效果更显著。高Si环境下，Cd组的最大量子产量(F_v
/Fm)和电子传递速率(ETR_max
)分别提高6%和15%，表明Si能增强Cd替代的光合效能。

碳ic anhydrase与碱性磷酸酶活性
Cd处理组的CA和AP活性虽低于Zn组，但高Si条件下CA活性显著提升。CDCA基因(编码Cd特异性CA异构体)在Zn/Cd处理中均下调，证实其是Zn饥饿的响应基因。

细胞形态与元素积累
低Si促使细胞体积增大，而高Si促进碳积累并降低生物硅含量，暗示Si通过调控硅壳结构影响金属分配。

该研究首次揭示Si通过双重机制优化Cd替代：既稳定硅壳物理结构，又调节金属酶活性中心配置。在实践层面，硅藻这种"变废为宝"的代谢策略，为开发基于生物吸附的重金属污染修复技术提供了理论支撑。特别是发现Si能同步提升Cd利用效率并降低其毒性，这对近海富营养化与重金属复合污染治理具有重要指导价值。论文创新性地将硅循环与重金属代谢关联，为海洋微量元素生物地球化学研究开辟了新视角。