引用本文
芮晓庆, 刘传联, 李志明. 颗石藻室内培养及应用研究进展. 地球科学进展, 29(11): 1303-1313
Rui Xiaoqing, Liu Chuanlian, Li Zhiming. Advances in Coccolithophore laboratory culture and their application research. Advances in Earth Science, 29(11): 1303-1313  
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颗石藻室内培养及应用研究进展
芮晓庆1,2, 刘传联1, 李志明2
1．同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092
2．中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所 , 江苏 无锡 214151

作者简介：芮晓庆(1984-), 女, 江苏如皋人, 助理研究员, 主要从事微体化石与古海洋学研究. E-mail: ruixq.syky@sinopec.com

基金:国家自然科学基金项目“从室内培养到地质记录探索颗石藻在南海碳循环中的作用”(编号：9228204); 国家科技部创新方法工作专项“海洋科学创新方法研究”(编号：2011IM010700)资助
摘要

介绍了颗石藻室内培养的研究进展, 重点阐述了基于室内培养颗石藻在生态学、古海洋学和石油地质学等方面的应用。颗石藻在全球海洋环境变化、碳循环及地质演变中扮演着重要角色, 这种重要性是由其独特的生物、生理特点所决定的。颗石藻培养方面介绍了藻种的分离与保存、室内培养方法、培养基的选择。应用方面, 首先介绍了颗石藻对海洋酸化的响应;其次, 颗石藻是二甲基硫丙酸(DMSP)的高产者, 释放的二甲基硫(DMS)经过一系列变化后能够对附近海域甚至全球气候产生影响;另外还介绍了基于室内培养颗石藻地球化学指标在古海洋、古气候学方面的应用;最后探讨了颗石藻热模拟实验在石油地质方面的应用。

关键词: 生理; 酸化响应; DMSP; 地化指标; 热模拟
中图分类号:P735 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2014)11-1303-11
Advances in Coccolithophore laboratory culture and their application research
Rui Xiaoqing1,2, Liu Chuanlian1, Li Zhiming2
1.State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
2.Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Research Institute of Petroleum Exploration and Production, SINOPEC, Wuxi 214151 China
Abstract

This paper summarizes previous studies of coccolithophores laboratory culture with emphasis on the application of cultured coccolithophores in the ecology, paleoceanography and petroleum. Because of the particular biology and physiology characteristics, coccolithophorid bloom can influence marine and atmosphere environment deeply , play an important roal in global carbon cycle and geological evolution. In the aspect of culture, we introduce the cultural method, the influence of cocolithophores growth by setting different environment parameters, the principle of suitable culture meduim depending on different research purpose. In the aspect of application, firstly, this paper discusses the physiological responses of coccolithophorids about ocean acidification. Then, coccolithophorid is high producer of DMSP(dimethylsulphoniopropionate)which can be divides into gas DMS, which can influence marine and atmosphere environment deeply through some chemical course. Further, another important application is the element geochemistry of coccoliths which is very meaningful in paleoceanography and paleoclimatology study. Finally, this paper also discusses the application of coccolithophores hydrocarbon generation to petroleum geology.

Keyword: Physiology; Acidic response; DMSP; Eleme geochemistry; Hydrocarbon generation.
1 引言

颗石藻是一类生活于海洋中的单细胞超微型浮游植物。它是海洋中主要初级生产者之一, 是海洋生态系统的重要组成部分。它在世界各大洋和近海中广泛分布, 主要生长于海水上部透光层, 受海水温度、光照强度和营养物质控制, 对环境变化响应灵敏[1]。同时, 与其他海洋微型植物不同的是, 它又是一种钙化植物。在其生命过程中可以在细胞的表层形成颗石(碳酸钙)。因此, 颗石藻在海洋与大气CO2交换过程中起着“ 生物泵” 和“ 碳酸盐泵” 的双重作用[2]。另外, 颗石藻是二甲基硫丙酸(DMSP) (dimethyl sulfur propionic acid)的高产者, DMSP经过催化裂解, 会释放气态二甲基硫(DMS) (dimethylsulfide)到空气中, 经过种种化学变化后, 最终形成可供水蒸气附着的颗粒状的云核, 从而影响附近海域甚至全球的气候[3]。上层海水大量的颗石藻, 在其死后, 颗石球上的颗石会散落沉降在海底沉积物中, 成为深海碳酸盐最重要的组成部分, 可占深海沉积物碳酸盐组分的25%~77%[4]。同时, 在其沉降过程中, 又会影响大洋“ 沉积雨” 中有机碳/无机碳的比值, 进而影响海洋碳循环[5]。

另一方面, 油气的有机成因学说已得到学术界的公认, 由于浮游藻类处在食物链的最底端, 生物量巨大, 是沉积岩中有机质的主要母质来源[6]。早在1984年郝诒纯等[7]就已报道山东济阳坳陷下第三系存在颗石藻类化石, 尔后油田的古生物工作者在微体化石分析中多次发现该类化石。1994年宋一涛等[8]通过对含颗石藻化石生油岩的地球化学分析揭示出该类生油岩具有独特的生物标志化合物, 并指出颗石藻是低熟原油的直接来源, 从而揭示颗石藻在成烃方面具有巨大潜力[9]。

由此可见, 颗石藻在全球海洋环境变化、碳循环及地质演变中扮演者重要角色。。而这种重要性则是由于其独特的生物学和生态学性质所决定。对颗石藻进行室内培养进而探讨其古海洋学、生态学、石油地质学应用乃是近年来迅速发展的一个新领域。因为在实验室条件下, 通过控制不同的生长介质条件, 可以用来观察颗石藻的钙化作用, 生长速率, 形态变化, 颗粒有机碳及颗粒无机碳生产等一系列生态、生理学变化。通过对培养得到的颗石藻进行有机、无机化学分析, 又可以得到一系列地球化学指标, 从而应用到颗石藻化石的古海洋学和石油成烃研究之中。现在, 对颗石藻的研究受到各国学者的关注并成为多学科交叉研究的一个热点, 了解实验室培养颗石藻的方法及应用对探讨颗石藻在全球变化中的作用的重要性不言而喻。

2.颗石藻研究现状
2.1 颗石藻生物学特征

颗石藻属金藻门(Haptophyta)、定鞭藻纲(Prymnwsiophyceae)、钙板金藻目(Coccolithophorales), 2004年Jordan[10], 2007年Varges等[11]共计给出380余种现已发现命名物种。它是一种海相钙质超微生物, 体长大多在3~20um, 少数大于20um。会产生由碳酸钙(CaCO3)构成的外壳, 在细胞外呈鳞片状颗粒, 这些颗粒称为颗石粒(coccolith), 是颗石藻进行分类的重要依据。颗石的形态以圆形、椭圆形为主。最简单的颗石组成是一简单的圆盘, 更多的颗石片是由两个盾形物经由一根短柱连接形成(如图1), 多由大洋普生种Emiliania huxleyi产生。这种结构增加了细胞表面的凝结力, 同时被认为具有多种生物功能[12, 13], 如能保护细胞, 促进营养物质吸收, 会反射和折射光线等。实验室中用于培养最多的属种是Emiliania huxleyi, (图1)它是大洋中分布最广的种, 同时也与人类关系最为密切。

图1 Emiliania huxleyi的扫描电镜图Fig.1 picture of Emiliania huxleyi by SEM

2.2 颗石藻生态学特征

目前为止, 全球范围内(除极地外)均发现有颗石藻分布[14]。大部分颗石藻分布在层化的热带和温带海域; 亚极地海域相对较少, 但生物量较大, 在浮游植物群落中占有重要地位[15]; 相对于远洋, 在大陆架海域分布的颗石藻无论是数量还是多样性都要少很多, 在群落中的数量也相对较少[16]。

在正常海环境下, 温度是颗石藻水平分布的决定因素。总的讲, 颗石藻是喜暖性的生物, 大多数种分布于18~23 ℃的暖水中。Brand总结道[17], 在所培养的颗石藻中, 近岸种Pleurochrysis carterae的对温度的容忍度最高, 其次是广生种E.huxleyi, 接着是喜暖种Calcidiscus leptoporus, Umbilicosphaera sibogae, Scyphosphaera pulchra, 热带大洋种Scyphosphaera apsteinii对温度的容忍度最低。据对现生颗石藻的研究[18], 主要分布10~200 m深的水体中, 尤其是水面以下数米至10~20 m(温带海洋)或至50 m(热带海洋)处最为繁盛。多数种的分布有一定的深度局限性。

颗石藻需要阳光进行光合作用, 光照是光合作用的必需条件, 不同的藻类对光照的需求并不相同, 通常富营养海水中的藻类对光照的需求比营养缺失海水中藻类所需的光照多[19]。

颗石藻E.huxleyi在有丝分裂阶段对光强并无限制, 甚至当光强达到1000u/(Es.m), 依然未影响其生长。Brand and Guillard[19]指出大洋种(代表种C.leptoporus)在长时间光照下生长会受到影响, 近岸种(E.huxleyi, G.oceanica)可以在连续光照中生长而不受影响。据调查, 31%的颗石藻适合光暗比为12L: 12D的周期, 29%适合14L: 10D, 10%适合连续光照, 还有10%适合自然光照(光照周期由季节和地区控制)。

有一些颗石藻生活在淡水或低盐度的潮间带, 但绝大多数藻类是海洋性的, 需要适当的盐度。Brand等[19, 20]指出大洋种对盐度的要求较高, 只能适应小范围的盐度变化, 而大多数生活在河口或近岸的种则能适应较大范围的盐度。据报道, 很多颗石藻藻种从盐度较高的海水中分离出(比如地中海, 盐度高达37~38psu), 却能在低盐度的海水中(如英吉利海峡, 盐度32~33psu)生长, 并且无影响。

颗石藻在暖温带及热带繁盛的原因, 除了温度控制以外, 还存在另一些因素, 如上升流。在南、北纬40以内, 有些地区是海底上升流和洋流交汇的地带, 是营养物质最丰富、有机质产量最高的地带, 上升流及洋流带来的无机营养物质支持了颗石藻及其他浮游植物的繁殖。

综上所述, 颗石藻的生长分布主要与温度、光照、光强、盐度以及营养物质有关, 这些生态特征为科研人员选择合适的参数进行实验室培养提供了依据。

2.3 颗石藻生理学特征

颗石藻之所以受到如此重视的主要原因在于其独特的外部结构— — 颗石粒(Coccolith), 以及在颗石粒产生过成中所涉及的钙化反应、光合反应[21].

颗石粒是在细胞内通过高度复杂的有机过程产生的。对于颗石粒的形成机理, 国际上研究的最多的是E.huxleyi。下面就以E.huxleyi为例阐明颗石粒的形成过程[22]。颗石藻细胞内有着发达的网状膜系统, 这些膜系统均由高尔基体产生, 曲折的表面增加了细胞内膜系统的接触面积, 非常有利于细胞内物质运输。颗石藻细胞的钙化层不是一次形成的, 而是要先形成一个个单独的颗石粒, 颗石粒在靠近核膜的颗石囊泡内发育成熟, 待发育成熟后, 囊泡向细胞边缘移动, 并与细胞膜融合, 这样颗石粒就被排到细胞表面[23, 24]。

颗石粒首先在高尔基体的中间部分合成基板(主要成分为碳酸钙)和酸性多糖, 随后转移到成熟面, 最后转移到颗石囊中。对这一过程的调控过程一直是国际研究的热点问题。很多学者[25, 26]认为水中可利用的CO2浓度决定了颗石藻的生长速率和钙化效率。Paasche[27]认为E. huxleyi 颗石粒的主要成分碳酸钙和颗石藻多糖的合成受可利用的无机磷酸盐的调节：磷限制会刺激碳酸钙和颗石藻多糖的合成, 磷充足的条件下碳酸钙和颗石藻多糖的合成则会受到抑制。关于钙化调控的分子生物学研究表明, 科学家在多种海洋浮游植物细胞发现了活性细胞外碳酸酐酶(CA)(extracellular carbonic anhudrase), 一种能将水中的HCO3-转运到细胞内进行催化和利用的酶。缪晓玲等[28]分析认为E huxteyi在碳受限条件下才具细胞外CA, CA具有种属的特异性。目前仍处于研究阶段, 尚无定论。不同颗石藻种类的钙化能力、环境变化条件下钙化差异响应、以及光合作用和钙化作用的相关性是不同的, 而且不同的培养条件也可能造成结果的差异。

另外, 颗石藻是二甲基硫丙酸(DMSP)的高产者, DMSP(二甲基硫丙酸)是DMS的前体物质, 统计显示约95%的DMS是由海洋生物产生的[29]。在高DMSP生产者中, 颗石藻E.huxleyi被认为是其中最为重要的种类。DMSP经过膜外DMSP裂解酶的作用, 释放二甲基硫(DMS)到空气中, 对近海甚至全球气候产生巨大影响。现在, 对颗石藻的研究已成为多学科交叉研究的一个热点。

3 颗石藻室内培养常用方法
3.1 藻种的分离与保存

藻类培养首先要有藻种。第一步要采集有需要分离藻类的水样, 采回后在显微镜下检查。采样时要同时测定水样的温度和盐度, 供分离、培养时参考。藻类的分离筛选方法很多, 常用的有微细吸管(毛细管)分离法、水滴分离法、稀释分离法、琼脂平板法[30]。培养者根据各自的经验和藻类的特点, 灵活选择最适合的培养方法。比如培养颗石藻, 通常选择毛细管分离, 此法是取得“ 单种” 或“ 克隆” 的最可靠的方法之一。选直径较细(约5 mm)玻管, 在火焰上加热, 待快熔时, 快速拉成口径极细的微吸管。将稀释适度的藻液水样, 置浅凹载玻片上, 镜检。先用猪眼睑毛做成的解剖针, 将水滴中杂物和不需要的藻细胞, 拨向一边, 将所需的藻细胞拨向另一边; 用微吸管挑选要分离的藻体, 认真仔细地吸出, 放入另一浅凹载片上, 镜检这一滴水中是否达到纯分离的目的。如不成功, 应反复几次, 直至达到分离目的为止。然后移入经灭菌的培养液中培养。预培养的培养液一般用原位海水较好, 人工配制的培养液一般浓度只能达到原配方的1/6~1/2[31]。

保存藻种时可以采用循环培养法[30, 31], 此方法是采用已消毒过的三角烧瓶或细口瓶, 加入正常浓度的培养液, 接种后用牛皮纸或滤纸封住瓶口, 放在适宜的温度和光照下培养。白天摇动瓶子3~4次, 5~6天可更换培养基, 循环培养。此法简单、容易掌握, 而且保存的藻种活力强、数量大、纯度高。

3.2 颗石藻培养方式

藻类的培养方式有多种多样, 从不同的角度大致分为以下几种。根据培养过程有无细菌, 可分为纯培养和单种培养; 根据培养容器是否开放, 可分为开放式培养和密闭式培养; 根据培养容器的大小又可分为小型培养、中级培养和大型培养; 根据培养是否连续, 可分为一次性培养和连续培养等等。下面介绍几种实验室常用的颗石藻培养方式。

3.2.1 分批培养

分批培养法(batch culture)：在一个相对独立密闭的系统中, 一次性投入培养基对微生物进行接种培养, 此种培养方式可用于收集藻种或观察藻类的生长特征。由于分批培养周期短, 藻细胞生长的四个阶段迟缓期、对数期、稳定期、衰亡期可直接反映出, 且操作简单, 便于初学者掌握。

3.2.2半连续培养

半连续式培养(semi-continues culture)：又称为重复分批式培养或换液培养, 当藻类达到一定密度时只收取一部分藻液, 又加入新的培养基继续培养, 称为半连续培养。半连续培样可维持细胞指数生长, 培养过程可延续到很长时间, 可进行多次收获。在进行颗石藻酸化充气培养时常采用半连续培养, 通过每天稀释藻液维持培养基内碳酸盐系统的稳定性。

< ![CDATA[图 2 分批培养方式和半连续培养方式特点]]>

Features of Batch culture and Semi-continuous culture

3.2.3 连续培养法

连续培养(continues culture)：一般为室内封闭培养, 有人工光源、充气, 培养的藻类在优化条件下快速生长繁殖, 培养液在一端连续流入, 一定密度的藻液从另一端连续流出, 流量可以认为控制。可以根据研究者的目的, 在一定程度上, 人为控制生长曲线中的某个时期, 使之缩短或延长时间, 使某个时期的细胞加速或降低代谢速率, 从而大大提高培养过程的人为可控性和效率。

总之, 培养者可根据不同的培养目和培养条件选择适应的培养方法, 只要能够充分满足藻类的生长需求, 在培养期间没有污染, 便于操作, 能达到培养目的的方法就是可取的方法。

3.3 培养基的选择

一个完整的培养基通常包括人工(自然)海水、以及维持藻类生长所需的营养元素, 微量元素、维生素等。同时, 每一种藻对营养的要求都有其独特性, 因而需要有特定的培养液配方来满足特定藻类的营养需求。即使是同一种藻, 采取不同的培养方式时其营养盐的配方也可能是不一样的。

藻类的培养需要准备无菌、富营养盐的海水培养基, 自然海水可以通过收集近岸海水获得, 但近岸海水中通常含有较多的有毒代谢产物, 故其水体质量较差, 盐度也不稳定, 需要进行多步骤的灭菌处理。比如为了使近岸海水中细菌充分降解, 采回来的海水通常需静置数月才能使用, 近岸海水中大都含有较多的无机和有机的颗粒物, 使用前必须进行过滤, 为了去除海水中结构较稳定的杂质, 高温灭菌是最常用的方法, 但高温会导致培养基中气体组分不稳定, 一般冷却后都会用充气的方法使培养基重新达到平衡以保证碳酸盐系统的稳定性。相比水质较差的近岸海水, 远洋海水要清洁的多, 也因此备受实验者青睐, 但是采集远洋海水费时费力, 需要较高的费用。一般来说, 海水中已经有藻类所学的各种营养成分, 使用时只需添加某些在培养中容易确实的营养元素即可。

除了自然海水培养基, 实验中常用的还有人工海水培养基, 它由纯净的去离子水混合各种盐类组成, 有明确的化学成分, 还可以消除自然海水中溶解的有机物质。不同藻类对于培养条件的需求是不一样的, 因此培养基的选择较为重要。其中以下几种经典的培养基可以适合三分之二的藻类生长, 比如f/2培养基比较适合颗石藻、硅藻生长 [32]; 稀释后的f/2(f/50)培养基则比较适合低营养需求的藻类, 如E.huxleyi; K培养基[33]由于包含了f/2培养基中所没有的营养元素, 如NH4Cl、Na2EDTA、Se等, 其中EDTA(一种螯合剂)是其他微量元素含量的10倍, 可以促进海洋浮游植物对微量元素的吸收。目前实验中应用较为广泛的有ASW, AQUIL培养基[17, 18], 后者是一种特殊的培养基, 化学成分明确, 可以用来研究微量元素与浮游植物的相互作用, 对近岸种和大洋种都适用。

大多数藻类都是自养型的, 可通过吸收培养基中的无机常量元素来维持生长。硝酸盐是最常见的无机氮源, 但高浓度的硝酸盐会对某些大洋性藻类生长不利, 因此培养基中也用铵盐作为主要的无机氮源。磷酸盐是另外一种必要的营养元素, 很多藻类对磷酸盐的依赖程度很高。

藻类的生长除了需要充足的常量元素(碳、硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐)和主要离子(钠, 钾, 钙, 镁, 氯, 硫酸根), 还需要大量微量金属离子(铁, 锰, 锌, 钴, 铜, 钼)和非金属离子硒。比如, 铁有助于控制藻类的固N作用, 而锌主要存在于碳酸酐酶中, 对光合作用固C过程起重要作用。常量元素可以根据需要改变浓度, 甚至可以加到很高的浓度以适应一些生长旺盛藻类的需要。但是微量元素比如(锌, 钴, 铜)在高浓度下是有毒的, 再比如铁, 可形成不溶的水合氧化物, 造成水生藻类无法利用。在自然海水中, 溶解的有机分子可充当螯合物, 通常浓度在1~10 mg/L。由于上述困难的存在, 如何为藻类生长提供一个充足且无毒的微量元素的培养基成为一大挑战。1950年, 螯合剂EDTA的出现解决了上述问题, 它作为金属缓冲剂被广泛用于人工和海水培养基中。螯合剂EDTA与金属离子的比例控制也很重要, 过高则会造成培养基中金属离子浓度降低, 影响藻类尤其是近岸种的生长, 但却适合大洋种的生长, 比例过低则会造成金属离子浓度较高, 同样不利于藻类的生长。在f/2培养基中二者的比例为1: 1, 在K培养基中比例为10: 1。

维生素作为一种有机合成物也是很多藻类生长所必需的, 几乎一半种类的微藻需要维生素B12, 接近20%的藻类需要维生素B1, 5%的藻类需要维生素H。光合型藻类对其余维生素并无需求。

培养器皿的选择必须符合以下几个条件：无毒(化学惰性), 透光性好, 易清洗可灭菌, 有较大的表面积/体积比。颗石藻的保存通常要维持较低的生长速率, 以延长达到较高浓度的时间, 可用长颈瓶或锥形瓶配合相应尺寸的棉花塞、玻璃塞或金属塞来培养, 以维持长期稳定的培养环境。

在日常培养工作中, 必须每天定时全面检查藻类的生长情况。通过观察颜色、运动和沉淀、附壁等现象来判断藻类生长状态。接种后随着藻类密度的逐渐增加, 正常情况下颜色由浅变深; 如果正常培养下藻液大量沉底, 出现沉淀, 并且出现灰白色, 则说明藻类生长受抑制导致死亡, 此时, 必须重新接种进行培养。

4 应用
4.1 颗石藻对大洋酸化的响应

由于人类活动导致的大气CO2浓度的增加将会对海洋浮游植物的物理、化学和生理过程产生影响。据预测, 到2100年, 大气CO2将达到目前的2倍, 即达到750× 10-6, 大气CO2浓度升高将导致海水中CO2浓度升高, pH值和CO32-下降, HCO3-和H+增加, 将会导致海洋的酸化, 进而对海洋浮游植物产生一定的影响[34]。在这些变化中, CO2分压(pCO2)浓度的增加和CO32-离子浓度的减少最为引人关注。前者将会使浮游植物光合作用暗期中的无机碳固定率增加, 从而增加海洋的初级生产力[35]; 后者将减少碳酸钙的沉降, 将直接导致钙化浮游植物如颗石藻钙化率的减少[36, 37]。pH的变化将会影响许多生理过程, 特别是细胞内一些酶的活性。由于颗石藻同时具有光合作用和钙化作用的特点, 颗石藻已成为当今海洋生态学家模拟未来海洋变化以及海洋生物对全球变化响应的生物之一, 研究的热点主要集中于颗石藻对海洋酸化的响应。

室内条件下的受控实验, 是研究CO2及海洋酸化效应不可或缺的重要途径。在研究颗石藻与CO2浓度关系的实验中, 最著名的例子, 是Riebesell等[26]和Iglesias-Rodriguez等[38]的室内培养试验。2000年, Riebesell等[26]对颗石藻最常见的2个种E. huxleyi, G. oceanica 进行培养, 发现随着培养介质中CO2浓度增加, 颗石(方解石)的生长速率降低, 同时颗石畸形个体和不完整颗石球的数量比例明显增加, 这意味着随着CO2浓度增加, 颗石藻的钙化作用减弱。进一步研究预测, 从1950年到2100年, 随着CO2增加, 钙化率下降16%~83%, 这将大大增强海水储存CO2的能力, 从6.2 Gt C 增加到 32.3 Gt C。CO2浓度增加导致颗石藻无机碳与有机碳的比值PIC：POC(particulate inorganic carbon: particulate organic carbon)的降低, 如果这也是一种普遍现象, 那么PIC：POC的降低将改变海洋环境, 包括表层海水的分层, 阳光穿透力以及颗粒沉降速率等[26]。

而Iglesias-Rodriguez等[38]对E. huxleyi的室内培养试验却得出了完全相反的结论：随着CO2浓度的增加, E. huxleyi无论是钙化作用还是颗石的净生产(net primary production)都显著增强。同时, 还把室内培养得出的结果与深海沉积物分析结果进行对比, 发现两者具有吻合关系。Shi等[39]对同品系E. huxleyi的研究表明pH值较低时E. huxleyi的生长速率、POC\PIC含量都高于pH值较高的环境。对于以上两种截然相反的结果, 双反科学家展开了激烈的辩论[40, 41], 但依旧没有定论。

类似的工作, 还有Zondervan, Delille等[42]和Langer等[43]的工作。不过, Langer等[43]的工作是对另一种颗石藻种Coccolithus pelagicus的培养, 得出的结论与E. huxleyi的室内培养结果不同。随着CO2浓度的增加, C.pelagicus钙化作用增强。由此得出, 不同颗石藻属种的钙化作用对CO2浓度的响应不同。

最新的研究同样具有相对新颖的观点：Lohbeck 等[44]认为颗石藻可以迅速地适应变化的海洋。2010年, Beaufort等[45]在Patagonian陆架和智利上升流水体中意外发现了与全球趋势相反的重度钙化的颗石藻R型E.huxleyi, 这成功解释了Iglesias-Rodriguez等人实验室培养试验中E. huxleyi钙化随CO2浓度升高而加强的原因, 同时也表明海洋对CO2增加的多元化响应, 对颗石藻钙化的研究应当扩展到对大洋中整个属种组合的特征反应, 而不是仅仅局限于个别属种的变化。

国内目前关于海水酸化与颗石藻的作用研究还不多, 蔡晓霞等[46]对不同浓度CO2下颗石藻E.huxleyi的生长速率、钙化作用进行了研究, 发现当CO2增加到一定浓度时能促进细胞的光合固碳作用和钙化作用, 但当浓度过高则抑制生长, 钙化停止。厦门大学的高坤山[47]通过研究包括颗石藻在内的钙化浮游植物发现不同的藻类、细胞粒径大小以及对能量的利用都会随着海洋酸化调节其生理过程, 呈现不同的生理学响应, 同时还应考虑阳光UV辐射的影响。汕头大学的阮祚喜[48]、夏建荣等[49]进行这一方面的研究, 他们认为藻类的钙化作用依赖于细胞生理活动, 也依赖于海洋环境的稳定。综上所述, 目前的研究在藻类钙化机制方面已取得了不少进展, 但尚未能预测或解释海水酸化与钙化作用的关系。

4.2 颗石藻对全球气候变化的影响

颗石藻对全球气候变化有重要影响, 这也与其独特的生理生态功能有关。颗石藻由于细胞表面具有颗石粒, 因此具有独特的光学性质, 会对海水的透光性产生影响[50]。同时颗石藻的DMS产量远远高于其他浮游藻类, 大面积的水华尤其是种群衰败期藻体经裂解酶作用后产生大量的DMS, 对于局部甚至整个海域环境、大气状况产生巨大的影响。而DMS是云凝结核(cloud condensation nuclei)的主要来源, 颗石藻通过释放DMS改变云反射率, 从而影响全球气温。

实验室中对颗石藻产DMS和DMSP的研究已经取得一定成果。Variamuthy [51]在对颗石藻Hymenomonas carterae的研究中发现, 细胞内DMSP浓度与DMS排放速率与盐度有关, 盐度增加时二者增加。Marion等[52]的研究认为DMSP的积累与温度有关, 并且低温能促进E huxleyi细胞中DMSP的积累。实验观察到DMS的大量出现都是发生在细胞生长状态进入衰亡期后, 比如Gordon等[53]将指数期的E huxleyi细胞放入黑暗环境, 细胞体积停止增长, DMSP也停止积累, 而DMS则快速的释放。Steinke[53]研究发现颗石藻E.huxleyi细胞中DMSP和DMSP裂解酶位于不同的细胞器, 这一分部特点可以防止细胞内DMSP的裂解, 因此只有当细胞结构破坏时, DMSP才有可能被裂解释放DMS。

现代海洋颗石藻生产量巨大, 往往通过藻华爆发(bloom)的形式出现。通过卫星遥感技术和海上航次调查, 发现颗石藻水华在世界大洋分布普遍, 主要属种为E.huxleyi。E.huxleyi藻华早期, 往往无法观测到, 等到海水变成乳白色时, 往往已经是颗石藻华的高峰期, 细胞浓度已达到最大[55]。因此, 我们对自然条件下颗石藻华形成机制了解不多。一些学者经过追踪调查颗石藻的水华现象, 认为较低的磷酸盐浓度可能是导致水华的因素, 再比如人们发现颗石藻水华多发生在北大西洋海域, 也跟海水中的N：P比较高有关[56]。目前, 有关诱导颗石藻华形成的环境因素争论较多[55], 较普遍的观点认为：海水层化、高光强、营养、高碳酸钙饱和度这几个因素与颗石藻华形成紧密相关。培养实验为研究颗石藻的藻华提供了新途径。例如, Riegman[57]通过对颗石藻E.huxleyi的培养发现同其他浮游植物相比, E.huxleyi对磷酸盐有较强的竞争力, 其磷酸盐半饱和度常数很低约1nmol/L, 因此颗石藻可以在低磷酸盐环境(如大西洋)和高N：P比例的环境中占优势。颗石藻能够在磷限制条件下, 合成碱性磷酸酶, 同时激发其活性, 将有机磷分解成无机磷满足种群代谢的需求, 颗石藻高的碱性磷酸酶活性, 造成其在有机磷利用上的的优势[58]。这一特征是否会通过响到其他代谢过程, 比如影响DMS的合成和钙化作用, 从而反作用于海洋环境甚至对全球气候产生影响仍不明确, 这一相互关系的阐释对海洋酸化、海洋升温以及海水富营养化等一些列海洋问题的意义重大。

4.3 颗石藻地球化学指标

颗石藻室内培养试验的另一个重要方面是提取颗石藻的地球化学指标, 以用来探索地质时期古海洋学、古气候学变化[59]。基于颗石藻的地球化学指标包括有机化学和无机化学两类。前者主要是长链不饱和烯酮(Alkenone)和长链不饱和烯酮的碳同位素组分(ε alkenone)。后者主要是颗石的Sr/Ca比值、Mg/Ca比值和氧、碳同位素。到目前为止, 颗石藻有机生物标记化合物化学在古海洋学上的应用要比颗石藻无机壳体的化学分析要广泛的多。长链不饱和烯酮可以很容易地利用色谱仪从沉积物中识别出来。在过去十年, 长链不饱和烯酮已经成为两种重要的古环境标志的基础, 一种是U37K(长链烯酮不饱和比值)主要与温度有关[60], 一种是长链烯酮的碳同位素组分(ε alkenone)用来再造过去大气的CO2浓度[61]。当然, 这种应

用的基础首先是对颗石藻进行室内培养以寻求有机地球化学指标与环境参数之间的关系。

对颗石藻元素化学的研究至今不过十多年, 主要是针对原理和方法[62]。关于颗石藻无机化学指标的提取, 近年来以Stoll等开展的颗石藻元素分析系列工作最为突出。2000年, Stoll& Schrag[63]提出颗石的Sr/Ca比值是颗石藻钙化和生长速率的一个新指标。2001年, Stoll等[64]

提出颗石Mg的含量可以作为古温度标志。2002年, Stoll等[65~67]先后报道了单种培养和多种培养条件下Sr/Ca比值的变化, 并通过对E. huxleyi连续培养对颗石Sr/Ca进行校正, 同时提出了一种从沉积物中分离单种颗石的方法。2003年, Stoll & Bains[68]通过颗石Sr/Ca比值研究了Wedell海古新世古生产力的变化。2007年, Stoll等[69]又提出了利用二次离子质谱仪分析颗石Sr/Ca比值从而进行古海洋学研究的新方法。

除元素化学分析外, 颗石藻的同位素分析也已经展开了许多工作。如Dudley等[70]通过对8个现代颗石藻种的室内培养试验, 发现颗石藻与其生活海水之间同位素并不平衡, 不同属种个体之间生命效应的影响极大。Ziveri等[71]在前人研究成果的基础上, 对颗石藻“ 生命效应” 作了进一步探索。8个颗石藻属种的培养解释了不平衡或“ 生命效应” 占颗石藻氧、碳同位素组成变化的5‰ 。他们认为, 细胞大小及其对碳固定和二氧化碳分散率的控制是影响稳定同位素生命效应的首要因素。只有在对多种组分进行分析或对超微化石组合变化进行统计时加入单种校正因子, 颗石稳定同位素才能古海洋温度和海水化学的重建提供有力的证据。

4.4 颗石藻成烃潜力分析

颗石藻培养实验除了在古海洋学上有重要应用价值外, 在石油地质方面的应用也越来越受研究者的关注。尤其是E. huxleyi, 区别于其他海洋浮游藻类的最主要特点在于其对CO2 吸收和固定的能力特别强, 以及它们的生物量特别大。由于其细胞内具有较高的脂肪类化合物含量, 独特的不饱和长链烯酮和饱和长链烯酸酯, 在热演化生烃过程中, 具有较高的产烃率[72]。周文等[73]对培养的颗石藻进行热模拟实验, 得出颗石藻是石油长链烷基萘、长链烷基苯和长链烷基噻吩的主要贡献者之一; 吴庆余等[74]进行的颗石藻E.huxleyi细胞热转化成烃实验结果表明, 富含脂类的E.huxleyi在300℃热解时产出的氯仿沥青“ A” 、饱和烃和芳烃的量很高, 其饱和烃产量可达细胞干重的2.8%, 是一般藻类(自养绿藻和蓝藻)产烃量的6~15倍。烃源岩的生烃母质研究显示[75], 孢粉、藻类、菌类等是油气形成的生烃母质。同时, 有研究表明[74, 8 , 76]来源于颗石藻的有机质对低成熟原油的生成有重要贡献。由此可见, 开展颗石藻的热模拟研究, 可以了解颗石藻生成烃类的特征, 以探索其在石油地质方面的意义。

5 结语

如上所述, 对于颗石藻与环境因子关系的研究国内外都已开展了很多工作, 取得了许多认识。尤其是在室内培养方面, 这方面的工作国外的研究已日趋成熟, 但仍有许多未解之谜, 最典型的当属颗石藻钙化作用对海洋酸化的响应问题。这方面的研究甚多, 但由于研究者选用的培养方法不同, 所得到的统计数据和实验数据, 彼此之间无法对比研究, 也是今后研究中需要克服的难点。同时, 在培养实验中, 长期适应高浓度CO2培养实验较少, 酸化与其他因子复合的实验也不多, 为此, 这方面的研究今后还需加强。另外, 对颗石藻的元素地球化学的研究除了颗石的Sr /Ca 比和Mg /Ca 比分析, 颗石中其他元素的地球化学也有待研究发现。颗石藻在自然界生物量巨大, 是实在的生物资源, 了解它们热解成烃潜力对于进一步开展可再生生物能源应用研究具有特别的意义。虽然藻类热模拟成烃实验虽然不能等同于地质历史上石油与天然气形成的实际复杂过程, 但新的方法、结果和发现, 并结合有机地化的分析, 可有助于对这一复杂过程和规律的逐步认识。

The authors have declared that no competing interests exist.

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