极地海冰初期冻结过程中微生物与营养盐的富集机制及其对大气环境的影响

本研究针对北极变薄海冰区开放水域冻结初期（24小时内）的生态过程，通过现场实验揭示了新形成海冰（nilas）和表层卤水（brine）中微生物与营养盐的差异化富集规律。团队发现3-6毫米厚nilas优先富集微藻（I=2.48）和叶绿素a（Chl a，I=2.97），而卤水在5小时内即出现细菌（I=15.5）、病毒样颗粒（VLP，I=38.2）和微藻（I=27.4）的显著富集。研究首次证实冻结初期是物质分配的关键阶段，并发现高盐卤水导致微藻光合系统II（ΦPSIImax）完全失活，这对理解极地生物地球化学循环及大气冰核粒子来源具有重要意义。

　　

随着北极海冰加速消融，开放水域（open water leads）的频繁出现改变了极地生态系统的物质循环模式。这类水域重新冻结时形成的薄层新冰（nilas）及其表层卤水（brine skim），被认为是大气中溴、汞等物质以及生物气溶胶的重要来源。然而，学界对冻结初期（24小时内）微生物与营养物质的分配机制仍知之甚少，这限制了对极地生物地球化学循环的准确预测。

丹麦奥胡斯大学北极研究中心（Arctic Research Centre, Aarhus University）的研究团队在格陵兰马莱内湾（Malene Bight）开展了一项创新性现场实验。研究人员人工创建6个1平方米的开放水域池塘，模拟海冰裂隙重新冻结过程，系统分析了5小时和24小时内形成的nilas（3-6毫米厚）及其表层卤水中微生物、营养盐和叶绿素a（Chl a）的动态变化。该研究近期发表于《Scientific Reports》，首次揭示了冻结初期物质分配的时空特征及其环境效应。

研究采用多学科技术方法：通过流式细胞术（NovoCyte flow cytometer）定量细菌、病毒样颗粒（VLP）和含叶绿素细胞；使用叶绿素荧光仪（Walz Phyto-PAM）测定微藻光合效率（ΦPSII_max和α）；结合营养盐自动分析仪（Seal QuAAtro）检测NH₄⁺、NO_x等参数；并创新性采用富集指数（I= (S_B/S_A)×(C_A/C_B)）量化物质分配过程。

微生物与营养盐的差异化富集

实验显示nilas选择性富集微藻细胞（I=2.48）和Chl a（I=2.97），而溶解性营养盐（NO_x、PO₄^3-等）均未富集（I≈0.55）。研究者认为这与微藻通过胞外聚合物（EPS）附着冰晶有关。相比之下，5小时卤水即出现微生物爆发式富集，细菌、VLP和微藻的I值分别达15.5、38.2和27.4，但营养盐仍保持I<1。这种"颗粒物优先"的富集模式挑战了传统认知。

时间动态与稳定性

比较5小时与24小时卤水发现，所有参数的富集指数无显著变化（p>0.05），表明冻结初期（前5小时）是物质分配的关键窗口期。细菌浓度从1.89×10⁴ cells mL^-1（海水）跃升至6.70×10⁵ cells mL^-1（5小时卤水），24小时仅微增至9.40×10⁵ cells mL^-1，证实系统快速达到稳态。

微藻光合系统受损机制

nilas中微藻的最大量子产量（ΦPSII_max）显著低于海水（p<0.05），而卤水样品甚至无法检测到荧光信号（n.s.d.）。研究者提出"双重胁迫假说"：nilas固定了微藻使其暴露于300-600 μmol photons m^-2 s^-1的强光下（海水光强的100-200倍），叠加72-77的高盐胁迫，导致光合系统崩溃。

这项研究建立了极地海冰初期冻结的物质分配模型：微藻通过EPS介导的物理捕获富集于nilas，而微生物通过卤水 expulsion（排出）机制在表层爆发式富集。该发现为解释极地大气冰核粒子来源提供了新视角——初期冻结形成的卤水微生物膜可能通过霜花（frost flowers）进入大气。研究同时警示，北极变薄海冰导致的冻结-融化循环加剧，可能通过改变微生物排放通量影响区域气候。未来需重点探究：1）EPS在物质分配中的分子机制；2）卤水-大气界面的生物气溶胶排放效率。这些突破将显著提升对快速变化中极地生态系统的预测能力。