藻類生物鈣化研究進(jìn)展

孫 林,秦 松,劉正一*,趙 輝

(1.中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所,山東 煙臺(tái) 264003;2.山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,山東 青島 266590)

引 言

大型藻是肉眼可識(shí)別形態(tài)的藻類,以海生種類為主,包括紅藻、褐藻、綠藻和藍(lán)藻。鈣化現(xiàn)象在上述四類海藻中均有報(bào)道[5]。鈣化生產(chǎn)力是指鈣化生物的鈣化能力,主要表現(xiàn)在鈣化物的生產(chǎn)量的差異[5]。其中大型鈣化海藻的鈣化生產(chǎn)力低于微型鈣化海藻,是全球生物鈣化的重要的一部分,影響著近岸海域的碳循環(huán)[6]。微型鈣化海藻分布廣泛,生長(zhǎng)周期短,鈣化生產(chǎn)力高,在全球生物鈣化生產(chǎn)力中占有極大的比例,而顆石藻類是微型鈣化海藻的主體[5]。大型鈣化海藻的鈣化主要是在細(xì)胞間沉積鈣化物,如珊瑚藻,細(xì)胞壁中含有能夠起晶核作用的聚多糖,鈣化晶體直接生長(zhǎng)于細(xì)胞壁內(nèi)部或外部。微型鈣化海藻的鈣化則發(fā)生于細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞壁外部。藻類鈣化雖然在大型藻和微藻中存在差異,但具有一些共性的過程。

在當(dāng)前的鈣化研究中,針對(duì)珊瑚藻和顆石藻等的鈣化研究較多,針對(duì)集胞藻PCC6803的鈣化研究較少。集胞藻PCC6803是研究藻類鈣化的理想模式種。該藻種的鈣化過程與條件較其他藻類更為簡(jiǎn)化,且鈣化過程和鈣化產(chǎn)物更易觀察,其鈣化部位與成核部位均在細(xì)胞外,不會(huì)形成細(xì)胞內(nèi)夾雜CaCO3的物質(zhì)[7],因此鈣化現(xiàn)象與其他大型鈣化藻類和鈣化微藻相比更加直觀。其次,集胞藻PCC6803的遺傳結(jié)構(gòu)在目前已知的藍(lán)藻中較為簡(jiǎn)單,遺傳學(xué)背景較為清晰,光合作用等重要生理過程相關(guān)的基因已得到注釋,從而為鈣化機(jī)制的解析提供了良好的研究基礎(chǔ)[8-9]。此外,集胞藻PCC6803誘導(dǎo)的CaCO3晶形為方解石。與顆石藻鈣化形成的球石粒、珊瑚藻鈣化形成的針狀霰石晶體不同,方解石粘附在集胞藻PCC6803細(xì)胞的外表面[10],更適宜觀察鈣化情況。同時(shí)由于鈣化產(chǎn)生的方解石具有較高的熱穩(wěn)定性且結(jié)晶度較好[11],因此其鈣化在生物成骨、納米材料等領(lǐng)域具有較高的開發(fā)利用價(jià)值。為便于對(duì)共性過程和機(jī)理的解析,本文以集胞藻PCC6803為例進(jìn)行介紹。

1 藻類鈣化的主要過程

CO2的濃縮:研究發(fā)現(xiàn)在集胞藻PCC6803中,CO2的濃度會(huì)影響碳同化和鈣化過程[13]。當(dāng)環(huán)境中的CO2含量較低,不足以升高細(xì)胞周圍微環(huán)境的pH時(shí),CaCO3是在一系列生理過程,例如碳濃縮機(jī)制等影響下產(chǎn)生的[14]。集胞藻PCC6803已經(jīng)進(jìn)化出一種顯著的環(huán)境適應(yīng)性,即CO2濃縮機(jī)制(CCM)[15],可以在有限的CO2濃度下極大地提高光合性能和存活率。研究發(fā)現(xiàn),集胞藻PCC6803的CCM在其鈣化過程中起關(guān)鍵作用(如圖1中②)。CCM的功能是在細(xì)胞內(nèi)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和積聚無機(jī)碳(Ci),Ci庫主要用于在CO2固定酶核糖二磷酸羧化酶周圍使CO2濃度升高[16]。集胞藻PCC6803的CO2濃縮過程所需的能量,推測(cè)由細(xì)胞中光合片層的光合作用提供(如圖1中③)。當(dāng)細(xì)胞外環(huán)境氣體成分的變化(CO2下降,O2上升)足以誘發(fā)CCM時(shí),集胞藻PCC6803的鈣化程度明顯增加。

Ca2+的聚集:藍(lán)藻中CaCO3成核的主要部位是細(xì)胞壁[17]。集胞藻PCC6803的細(xì)胞表面是用于碳酸鹽沉淀的高效成核模板,而細(xì)胞壁在CaCO3的成核中很重要,它可以充當(dāng)外延基質(zhì)或模板[18]。集胞藻PCC6803鈣化的成核過程發(fā)生在緊靠細(xì)胞壁的胞外聚合物(EPS)內(nèi)[19],主要由酸性多糖和蛋白質(zhì)組成[20]。隨著EPS的微生物降解的進(jìn)行,EPS中的特定蛋白質(zhì)部分會(huì)越來越暴露[21],包含各種酸性殘基和糖的EPS會(huì)捕獲大量的Ca2+。EPS通過使Ca2+不均勻地吸附到細(xì)胞表面[22]。不同的EPS在體外誘導(dǎo)了不同類型CaCO3晶體的沉淀。酸性蛋白質(zhì)附著于固體表面(例如幾丁質(zhì))導(dǎo)致立體化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化,被認(rèn)為是CaCO3成核和CaCO3多態(tài)性的重要誘因[21]。EPS包含各種官能團(tuán),可顯著影響細(xì)菌粘附在固體基質(zhì)表面上。此外,EPS可以將顆粒粘合在一起形成沉淀物,并進(jìn)一步改善原沉積物的內(nèi)聚力[23]。

集胞藻PCC6803通過增加成核的表面積,在細(xì)胞表面附近創(chuàng)造堿性環(huán)境,并通過其生理活性增加溶解的無機(jī)碳濃度(CCM),從而促進(jìn)CaCO3的沉淀[25]。原子緊密堆積以縮短原子間距離,在這種情況下形成的晶體將具有更高的熱穩(wěn)定性[26]。集胞藻PCC6803生理催化的堿性生長(zhǎng)環(huán)境的創(chuàng)建,是引發(fā)CaCO3沉淀的主要因素(表1)。

表1 集胞藻PCC6803鈣化的影響因素

2 大型藻類鈣化及其特點(diǎn)

大型鈣化藻類以珊瑚藻(Corallina)最具代表性,珊瑚藻是近海生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,具有作為底棲生物附著基質(zhì)的重要功能[29],其鈣化生產(chǎn)力在全球碳循環(huán)中占有重要地位[30]。珊瑚藻的鈣化主要在細(xì)胞和細(xì)胞壁之間以及相鄰細(xì)胞壁之間進(jìn)行,在細(xì)胞壁中進(jìn)行成核作用,鈣化晶體生長(zhǎng)于細(xì)胞壁內(nèi)部或外部[31-32]。生成的鈣化沉積物填充在礁體縫隙中,從而加強(qiáng)了珊瑚礁的機(jī)械強(qiáng)度[33]。

圖2 珊瑚藻鈣化過程

在不同CO2水平上經(jīng)過培養(yǎng),低CO2濃度培養(yǎng)的藻體其鈣化速率要遠(yuǎn)高于(P<0.001)高CO2濃度培養(yǎng)下的藻體;而UVR對(duì)鈣化作用產(chǎn)生的抑制率卻呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì),即對(duì)低CO2濃度培養(yǎng)的藻體產(chǎn)生的抑制率要遠(yuǎn)低于(P<0.001)對(duì)高CO2濃度培養(yǎng)下藻體產(chǎn)生的抑制率。與低CO2濃度(150 ppmv)相比,380 ppmv的CO2濃度條件下珊瑚藻的光合放氧和鈣化速率均有所提高,但達(dá)到峰值后更高的CO2的濃度又會(huì)導(dǎo)致二者的下降,對(duì)生長(zhǎng)也會(huì)構(gòu)成抑制。O2濃度的增加則會(huì)抑制光合作用,從而進(jìn)一步抑制鈣化作用[40]。

珊瑚藻的鈣化過程依賴于光合作用。研究表明室內(nèi)培養(yǎng)的珊瑚藻在高光強(qiáng)條件下,其光合作用會(huì)受到抑制,這可能是由于過多的光照對(duì)光合作用相關(guān)的細(xì)胞器造成了損傷。珊瑚藻的光合作用和鈣化速率均與光照強(qiáng)度密切相關(guān)[40]。珊瑚藻在光照環(huán)境中的鈣化速率大于在黑暗環(huán)境中。光合作用與鈣化之間存在直接的關(guān)系。這種關(guān)系僅限于低光照強(qiáng)度水平的條件下,在高光照強(qiáng)度下鈣化和光合作用過程發(fā)生了不同的變化。在夏季,高光照強(qiáng)度下鈣化速率變化很大,最高值與最低值差距可達(dá)7倍[41]。珊瑚藻的鈣化受光照強(qiáng)度的影響,但對(duì)光照強(qiáng)度的依賴程度低于光合作用[1],用于晶體沉積的能量輸入表面積才是珊瑚藻鈣化的主要控制因素[42]。另一方面,珊瑚藻呼吸底物的可用性和呼吸作用的強(qiáng)度也影響了鈣化速度[43]。此外,珊瑚藻的鈣化受溫度影響也較大[44]。

3 微藻鈣化及其特點(diǎn)

圖3 顆石藻鈣化過程

圖4 藻類鈣化的生態(tài)功能

光照強(qiáng)度會(huì)影響顆石藻的鈣化效率,黑暗條件不利于顆石藻鈣化甚至還會(huì)出現(xiàn)脫鈣現(xiàn)象,黑暗處的鈣化速率約為在光照下鈣化速率的1/10[47]。同時(shí)溫度對(duì)于顆石藻的鈣化也有較大影響,研究發(fā)現(xiàn)溫度平均升高約2～3°C,導(dǎo)致顆石藻生長(zhǎng)速度更快(增長(zhǎng)>10%),并增加了鈣化作用,隨著溫度的升高,光合作用,鈣化和呼吸作用增加[53]。

大型鈣化海藻與微型鈣化海藻的鈣化之間有較多差異,下面以大型鈣化海藻中的珊瑚藻、微型鈣化海藻中的顆石藻為例進(jìn)行比較(如表2)。

表2 大型鈣化藻與微型鈣化藻比較

4 藻類鈣化的生態(tài)功能與應(yīng)用

4.1 生態(tài)功能

研究普遍認(rèn)為珊瑚藻的鈣化在珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中具有兩個(gè)重要作用,一是對(duì)礁體的鈣化作用貢獻(xiàn)巨大,二是能誘導(dǎo)許多底棲動(dòng)物幼蟲的附著與變態(tài)[55]。顆石藻鈣化可以將CO2封存。顆石藻占全球總浮游植物量的10%,每年將空氣中7.333×1011t的CO2吸收和固定,通過鈣化作用有1.28×109t的CaCO3沉入海底進(jìn)入地化循環(huán),因此顆石藻的鈣化作用在降低空氣CO2的能力上更具有優(yōu)勢(shì)[47]。顆石藻在體表沉積CaCO3,將海洋中溶解無機(jī)碳(DIC)結(jié)合到顆粒態(tài)CaCO3中的同時(shí),降低了水體的堿度而改變水體中溶解無機(jī)碳體系的平衡[56]。CaCO3在海洋中的沉降驅(qū)動(dòng)了海水中碳酸鹽反向泵過程,最終導(dǎo)致溶解在海水中的CO2向大氣釋放,進(jìn)而影響了海洋和大氣的CO2交換。

鈣化藻類在鈣化的過程中將水體中的Ca2+固定,同時(shí)也將其中的碳元素固定,因此在碳匯漁業(yè)和藍(lán)碳領(lǐng)域,藻類鈣化有著較大的生態(tài)應(yīng)用潛力。碳匯漁業(yè)是指通過漁業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)促進(jìn)水生生物吸收水體中的CO2,并通過收獲把這些碳移出水體的過程和機(jī)制[57]。這個(gè)過程和機(jī)制提高了水體吸收大氣CO2的能力。鈣化藻類可以通過光合作用和鈣化作用將CO2轉(zhuǎn)化為CaCO3,將其鈣化能力發(fā)揮出來可以極大提高水體吸收大氣CO2的能力,有助于碳匯漁業(yè)的實(shí)施。藍(lán)碳是儲(chǔ)存于濱海和海洋系統(tǒng)的碳。作為地球上的最大碳庫,藍(lán)碳的容量是大氣碳庫的50倍。在世界上每年通過光合作用捕獲的碳中,有55%是由海洋生物捕獲的[58]。研究開發(fā)鈣化藻類的鈣化作用可以有效提高藍(lán)碳儲(chǔ)量,對(duì)于改善大氣環(huán)境具有重要意義。

藻類鈣化的生態(tài)功能還會(huì)影響生物碳泵效率及深海的碳埋藏。生物碳泵起始于真光層,藻類等植物將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為溶解有機(jī)碳(DOC)和顆粒有機(jī)碳(POC)[59]。海洋碳循環(huán)的過程與機(jī)制包括物理、化學(xué)和生物的過程與機(jī)制[60]。微型生物碳泵理論指出,海洋中的微型生物是RDOC的主要貢獻(xiàn)者。微型生物個(gè)體雖小,但數(shù)量極大,是海洋生態(tài)系統(tǒng)生物量的主要承擔(dān)者[61]。而藻類鈣化在儲(chǔ)碳的同時(shí)吸收了較多的CO2,使POC和DOC的含量隨之發(fā)生改變,同時(shí)提高了深海的碳埋藏量。

4.2 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的潛力

關(guān)于藻類的鈣化的應(yīng)用研究尚處于起步階段,當(dāng)前鈣化的應(yīng)用主要集中在納米材料制備,同時(shí)在人造骨骼的制備方向具有重要的應(yīng)用潛力[47]。納米催化材料需要較大的催化表面積,以提高催化效率,同時(shí)需要控制生產(chǎn)成本[62]。藻類鈣化得到的碳酸鹽適宜納米材料的研發(fā)生產(chǎn),通過誘導(dǎo)藻類鈣化形成碳酸鹽沉積含有較多的細(xì)微孔洞,有效催化表面積較大,生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單,因此適于納米催化材料的開發(fā)。同時(shí)Takenaka等[63]認(rèn)為較大的比表面積也可以促進(jìn)其在腸道內(nèi)的吸收,因此將其應(yīng)用到補(bǔ)鈣產(chǎn)品中也有較大潛力。光學(xué)納米材料需要具有較高的光照穩(wěn)定性以提高工作效率[64],而鈣化藻類鈣化得到的產(chǎn)物具有較高的光照穩(wěn)定性,因此也可以用于光學(xué)納米材料領(lǐng)域,與其他的傳統(tǒng)光學(xué)納米材料相比具有成本低,生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì),但距離規(guī)?；a(chǎn)尚需進(jìn)一步的工程技術(shù)突破。

致謝：感謝南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院連賓老師對(duì)本論文的修改與指導(dǎo)。