北极海冰藻类细胞内营养储存机制揭示其对春季水华延长的关键作用

本研究针对北极海冰藻类营养获取机制不明的问题，通过加拿大高纬度地区春季冰藻水华的现场观测，首次证实硅藻通过储存高浓度硝酸盐(NO3-+NO2-)和硅酸(Si(OH)4)的细胞内(IC)营养池适应脉冲式营养供应。研究发现标准融冰处理方法会显著改变表观N:Si比值，揭示了冰藻通过IC储存延长水华期的生态适应策略，为理解北极海冰生态系统生物地球化学循环提供新视角。

　　

在北极快速变暖的背景下，海冰变薄、积雪减少导致光照条件改变，但营养盐的可获得性仍是决定冰藻春季水华的关键因素。长期以来，科学家们观察到海冰融水样本中营养盐浓度与藻类生物量呈正相关，暗示冰藻可能具备特殊的营养储存机制，但缺乏直接证据。更棘手的是，传统融冰处理方法会因渗透压变化导致细胞破裂，使测量结果难以反映真实环境条件。这些认知空白限制了对北极海冰生态系统生产力调控机制的理解。

加拿大曼尼托巴大学(University of Manitoba) Clayton H. Riddell环境、地球与资源学院的研究团队，通过2010-2012年在加拿大北极Resolute Passage的现场观测，首次证实海冰硅藻能主动储存超高浓度的细胞内营养盐。这项发表在《iScience》的研究揭示，优势藻种Nitzschia frigida和Navicula pelagica等羽纹硅藻可将NO₃^-+NO₂^-浓缩至26 mmol L^-1，Si(OH)₄达128 mmol L^-1，分别比环境浓度高3个数量级和1个数量级。

研究采用三种关键技术：1) 现场采集不同积雪厚度的海冰核心样本，通过过滤海水稀释法减少融冰渗透压胁迫；2) 沸水提取法分离细胞内营养池，避免传统融冰处理造成的测量偏差；3) 结合流式细胞计数与生物量估算，建立chl a特异性营养储存量(IC-N^B和IC-Si^B)的计算模型。

研究结果

春季水华期间的营养动态

2012年观测显示，底层冰(3cm)中NO₃^-+NO_{2^-平均浓度(19.5±11.6 μmol L^-1)显著高于2m水深(7.67±0.38 μmol L^-1)，而Si(OH)4浓度(11.2±6.4 μmol L^-1)低于水柱(14.7±0.9 μmol L^-1)，导致冰内N:Si摩尔比(1.94±0.67)比水柱(0.52±0.01)升高近4倍。}

细胞内营养储存的直接证据

通过沸水提取法测得2012年冰藻细胞内NO₃^-+NO_{2^-含量达68.2±41.6 fmol cell^-1，Si(OH)4为251±134 fmol cell^-1，相当于单个细胞分裂所需硅量的27%。回归分析显示融冰样本中NO3^-+NO2^-浓度与IC-N呈1:1关系，而Si(OH)4仅反映IC-Si的1/11，证实硅测量存在严重低估。}

潮汐驱动的营养动态

2010年时间序列显示，IC-N^B随水华衰退呈线性下降(r²=0.77)，而IC-Si^B反而上升，导致IC-N:Si比呈指数衰减。残差分析发现最大潮流速度与IC-N^B(r=0.50)、IC-Si^B(r=0.53)呈弱正相关，表明春季大潮期间增强的营养盐通量促进IC储存。

结论与意义

该研究突破性地揭示：1) 传统融冰法会因硅藻对Si(OH)₄的特异性保留导致N:Si比测量偏差，部分既往研究的"硅限制"结论需重新评估；2) 潮汐脉冲驱动的营养补充-储存循环是冰藻适应间歇性营养供应的重要策略；3) 细胞内硝酸盐储存可能帮助藻类度过极夜、缺氧等极端条件。这些发现为理解北极海冰生态系统的弹性机制提供了新维度，对预测气候变化下极地海洋生物地球化学循环具有重要价值。