高浓度的二氧化碳以及硅与铝的相互作用改变了细胞壁的结构：海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum的表面结构与黏附特性

《Journal of Environmental Sciences》：High carbon dioxide and silicon-aluminum interactions remodel cell walls: Surface architecture and adhesion in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum

研究通过单因素（CO2、Si、Al）及协同处理（+Si+CO2、+Al+CO2）探究对模式硅藻Phaeodactylum tricornutum的生长、细胞壁结构及沉降速率的影响。采用原子力显微镜（AFM）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，高CO2与外源Si协同显著提升硅藻生长率（+53%），但导致细胞体积减小5.4%。同时增强表面粗糙度及硅醇（Si-OH）比例，加速硅酸聚合，从而提高沉降速率。铝（Al）在高CO2条件下通过促进酰胺-N合成影响有机组分，揭示了CO2-Si/Al交互作用对硅藻适应性及碳-硅-铝循环的影响机制。

　　

吴慧楠|周倩|范在庄|廖英奇|蒲俊宝|王彩光|陈杰|黄亮亮|宋世杰|钟一坚|李梦迪|潘凯|马杰

桂林理工大学环境科学与工程学院，中国桂林541006

摘要

人为增加的二氧化碳（CO₂）对海洋生态系统造成了压力。作为海洋生态系统中的关键初级生产者，硅藻在形成细胞壁时严重依赖硅（Si），而铝（Al）可以与硅竞争或调节硅的吸收。然而，CO₂、Si和Al在海洋硅藻中的相互作用仍不清楚。本研究通过单元素（C、Si、Al）和组合处理（+Si+CO₂、+Al+CO₂）阐明了CO₂、Si和Al如何影响模式海洋硅藻Phaeodactylum tricornutum。使用原子力显微镜和X射线光电子能谱等跨学科方法，从生长率到表面纳米结构和元素组成等多个层面进行了表征。结果表明，升高的CO₂和外加Si协同作用使硅藻的生长率提高了53%，但细胞大小显著减少了5.4%。关键的是，这种协同作用同时增加了表面粗糙度，并通过细胞壁中更高的硅醇基团（Si–OH）比例增强了硅酸盐的聚合，从而加快了沉降速度。只有在CO₂浓度升高的情况下，铝的影响才显现出来，它促进了细胞表面酰胺-N等有机基团的合成。这些发现表明，上升的CO₂与Si/Al的可用性相互作用，改变了硅藻的适应性，从而可能影响硅藻介导的C-Si-Al生物地球化学循环。

引言

二氧化碳（CO₂）水平的升高不仅导致全球变暖，还严重破坏了海洋生态系统。这种破坏通过影响关键的海洋初级生产者和环境因素（如温度和营养分布）表现出来（Rousseaux和Gregg，2015；Hu等人，2017；Ardyna和Arrigo，2020）。海洋硅藻贡献了超过40%的海洋初级生产力（Armbrust，2009）。虽然在高CO₂条件下，CO₂可以在一定程度上增强硅藻的光合作用，但越来越多的研究表明，较高的CO₂水平可能会扰乱硅藻的代谢过程，抑制其生长和生产力（Li等人，2017；Tsuji等人，2017）。这些生理影响会削弱硅藻的生态适应性，改变浮游植物群落结构（Giordano，2013；Meyer和Riebesell，2015）。

海洋硅藻具有复杂的硅质细胞壁，这决定了它们的形态多样性并支撑了其生态功能（Smetacek，1999；Hamm等人，2003）。硅（Si）作为硅藻细胞壁中的关键结构成分，通过其在生物硅化过程中的作用对细胞壁的完整性至关重要（Stoermer，1967；Round等人，1990；Cox等人，2014）。人为引起的富营养化增强了沿海水域的初级生产力，但由于硅供应不足，其可用性降低，限制变得更加严重（Xiao等人，2018；Zhang等人，2020b）。值得注意的是，硅缺乏会导致细胞微型化并阻碍分裂（Brzezinski等人，1990；Hildebrand，2003）。同时，实验研究表明，100 μmol/L的铝（Al）浓度可以导致硅藻细胞壁的结构变化，包括壁厚增加、孔径尺寸和肋状结构改变（Soleimani等人，2020）。这些形态变化是由于硅藻将Al纳入硅质基质中。在基质中，Al³⁺离子作为硅醇基团（Si–OH）之间的交联剂，形成Si–O–Al–O–Si键。由此产生的共价网络增强了生物硅结构的机械刚性（Stoffyn等人，1979；Gensemer等人，1990；Gehlen等人，2002）。CO₂浓度的波动可以通过改变渗透性和调节细胞代谢途径间接影响硅藻细胞壁的形成和功能（Tesson和Hildebrand，2010；Li等人，2016）。例如，高浓度的二氧化碳可以增加硅藻丙酮酸激酶的活性，促进糖酵解以支持硅化过程（Lane等人，2000）；而铝可以在铁（Fe）受限的情况下增加硅藻的生长和细胞内铁的利用效率，并降低硅藻细胞壁的溶解速率，这为Fe-Al假说提供了科学依据，以增强碳固定能力（Zhou等人，2024）。尽管先前的研究揭示了CO₂、Al和Si单独因素对海洋硅藻的潜在影响，但CO₂-Si和CO₂-Al与硅藻细胞壁之间的具体机制仍需进一步探索。

在这项研究中，我们假设升高的CO₂结合不同的Si和Al可用性，会改变硅藻细胞壁的纳米级结构和表面化学性质，从而调节其生态性能。我们结合了多种方法，包括使用原子力显微镜（AFM）对表面特征（如粗糙度和粘附力）进行纳米级评估，以及使用X射线光电子能谱（XPS）进行详细的功能基团表征。同时，通过对生长动态、相对大小可塑性和沉降速度的评估，建立了结构变化与生态性能之间的明确联系。结果表明，CO₂、Si和Al单独或协同作用引发了结构调整，如细胞壁中Si-OH比例的升高、表面粗糙度的增加以及硅酸聚合的增强。所有这些变化共同提高了硅藻的沉降速率。这项研究是首批将AFM和XPS分析结合起来，将硅藻壳的化学重塑与多元素压力下的生态性能指标联系起来的研究之一。

硅藻培养和处理

硅藻Phaeodactylum tricornutum来自厦门大学的海洋藻类收藏中心（CCMA）。P. tricornutum按照Guillard（1975）的方法在无菌f/2培养基中培养，光照周期为14:10小时（光照：黑暗），光照强度为100 μmol photons /(m²·s)，温度为20°C，pH值为8.0，盐度为32.0，初始细胞密度为1×10⁴细胞/mL。通过驯化实验研究了CO₂、Al和Si添加的长期影响

Al、Si和CO₂对硅藻细胞生理的影响

发现P. tricornutum的生长率（μ）在不同处理组之间存在显著差异。在1200 ppmV CO₂浓度下，各处理组之间的特定生长率变化最大（图1a）。在400 ppmV CO₂条件下培养的细胞中，+Al组和对照组具有相同的特定生长率，为0.42 ± 0.01。而+Si组的特定生长率更高，为0.46 ± 0.02。相比之下，在1200 ppmV CO₂条件下，生长率之间存在显著差异（p < 0.05）

Al、Si和CO₂对硅藻细胞生长和大小的影响

在400 ppmV的CO₂浓度下，Al对P. tricornutum细胞的生长率和相对大小没有显著影响。然而，当CO₂浓度上升到1200 ppmV时，Al显著增加了细胞生长率，同时减小了细胞大小。先前的研究表明，在高CO₂条件下，Al可以通过改善铁的吸收和磷的利用来帮助硅藻维持生长（Alipanah等人，2018；Zhou等人，2021）

结论

本研究揭示，升高的CO₂水平结合Si的可用性可以提高模式硅藻P. tricornutum的生长率并增加表面粗糙度，尽管代价是细胞大小的减小。从机制上看，高CO₂促进了更多的Si融入细胞壁，提高了Si-OH比例。这种化学变化加速了硅酸盐的聚合，形成了更密集、更硅化的细胞壁，从而增强了沉降能力，进而影响了生物碳泵的作用。

未引用的参考文献

Carey和Sundberg，2000；Cox，2014；Finkel和Kotrc，2010；Lane和Morel，2000；Schmid和Schulz，1979；Stoffyn，1979

CRediT作者贡献声明

吴慧楠：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿，可视化，方法学，概念化。周倩：研究，数据管理。范在庄：研究，正式分析。廖英奇：撰写 - 审稿与编辑，正式分析，概念化。蒲俊宝：撰写 - 审稿与编辑，正式分析，概念化。王彩光：撰写 - 审稿与编辑，可视化，概念化。陈杰：方法学，概念化。黄亮亮：撰写 -

数据可用性

数据将应要求提供。

CRediT作者贡献声明

吴慧楠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，概念化。周倩：研究，数据管理。范在庄：研究，正式分析。廖英奇：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，概念化。蒲俊宝：撰写 – 审稿与编辑，正式分析，概念化。王彩光：撰写 – 审稿与编辑，可视化，概念化。陈杰：方法学，概念化。黄亮亮：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了广西科学技术计划（编号Guike AD25069074）、国家自然科学基金（编号42076148、U23A2048和42376152）、广东省基础与应用基础研究基金（编号2022A1515010681）、广西百桂青年拔尖人才计划、广西农业水土资源与环境观测站以及喀斯特地区水污染控制与水安全协同创新中心的支持