Железное ограничение роста водорослей может предотвратить облесение океана

Aug 23, 2023

Биология связи, том 6, Номер статьи: 607 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Удаление углекислого газа (CDR) и сокращение выбросов необходимы для смягчения последствий изменения климата. Облесение океанических макроводорослей (OMA) — это метод CDR, который уже проходит полевые испытания, когда прибрежные водоросли на плотах целенаправленно выращиваются в открытом море в больших масштабах. Поступление растворенного железа (dFe) часто ограничивает рост океанического фитопланктона, однако этот потенциально ограничивающий скорость фактор игнорируется в дискуссиях OMA. Здесь мы определяем предельные концентрации dFe для роста и ключевых физиологических функций репрезентативного вида водорослей Macrocystispyrifera, считающегося многообещающим кандидатом на ОМА. Добавление dFe в океаническую морскую воду в диапазоне 0,01–20,2 нМ Fe′ ‒ Fe′ представляет собой сумму растворенных неорганических форм Fe(III) ‒ приводит к нарушению физиологических функций и гибели водорослей. Рост водорослей не может поддерживаться при концентрациях океанического dFe, которые в 1000 раз ниже, чем требуется M.pyrifera. OMA может потребовать дополнительного возмущения морских вод посредством внесения удобрений dFe.

Облесение океана макроводорослями (OMA) является одним из более чем 30 морских методов, предложенных в качестве подходящих кандидатов на удаление углекислого газа (CO2) для смягчения последствий изменения климата, вызванного повышением уровня CO2 в атмосфере1,2. ОМА основано на целенаправленном внедрении ламинарии (морских макроводорослей или морских водорослей, отряд Laminariales) в открытый океан, где они растут на стационарных фермах по выращиванию морских водорослей или транзитом в море, прикрепленных к плотоподобным конструкциям1,3. Ламинарии образуют густые подводные заросли («леса») в прибрежных морских экосистемах умеренного пояса, обеспечивая среду обитания и пищу для более высоких трофических уровней, а также необходимые услуги по круговороту азота и углерода. Они поглощают CO2 из морской воды и «связывают» его с органическими веществами посредством фотосинтеза, но приводит ли этот процесс к секвестрации углерода (т.е. безопасному хранению > 100 лет2,4) трудно определить количественно4. Тем не менее, сторонники OMA считают, что увеличение биомассы прибрежных морских водорослей за счет колонизации в открытом океане увеличит секвестрацию углерода1,5. Предыдущие исследования OMA определили географические регионы с достаточной концентрацией макронутриентов для поддержания роста морских водорослей6. Однако микроэлементы, необходимые для фотосинтеза, такие как dFe, ограничивают первичную продукцию фитопланктона в большей части открытого океана7 и являются серьезным упущением в дебатах ОМА.

Железо является наиболее изученным микроэлементом в океане, оказывающим значительное влияние на функционирование биологического углеродного цикла из-за его решающей роли в установлении скорости ферментативной активности фотосинтеза водорослей и поглощения азота8,9. Концентрации dFe, использованные в этом исследовании, выражаются как Fe', который представляет собой сумму растворенных неорганических частиц Fe(III), показатель, который лучше всего имитирует биодоступность dFe. Концентрация dFe варьируется в зависимости от региона и глубины, а доступность dFe ограничивает первичную продуктивность в одной трети мирового океана10. Этот дефицит приводит к появлению областей с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла (HNLC), где запасы макроэлементов, такие как нитрат (NO3-), могут быть использованы лишь частично7,11,12. Однако в прибрежной части океана реки, атмосферные поступления и отложения являются значительными и часто постоянными источниками dFe, концентрации которого варьируются от ~0,1 до ~500 нМ в зависимости от речных примесей13,14. Прибрежные воды (определяемые здесь как воды, простирающиеся от береговой линии до внешнего края континентальной окраины) также имеют более высокую концентрацию биодоступного dFe по сравнению с открытым океаном из-за повышенных концентраций лигандов, связывающих dFe, таких как гуминовые и фульвокислоты из отложений. окраины и речные источники15,16. Следовательно, водоросли, обитающие в этом прибрежном регионе, обычно богаты dFe17,18.

Содержание железа в тканях морских водорослей и его связь с транспортом электронов и содержанием пигментов хорошо документированы для многих видов11,17,19,20,21,22,23,24; однако роль концентрации dFe в морской воде для ключевых физиологических функций морских водорослей — роста, производства растворенного органического углерода (DOC), фотосинтеза и метаболизма азота — ранее не изучалась и представляет собой пробел в знаниях в дискуссиях OMA8,11. Однако, вероятно, существует много параллелей с многогранной ролью, которую железо играет в других фотосинтезирующих организмах, включая океанический фитопланктон18,25. Например, до половины dFe у фотоавтотрофов используется для фотосинтеза – в основном для транспорта электронов между фотосистемой II (PSII) и фотосистемой I (PSI)9,26. dFe необходим для синтеза водорослевых пигментов, дыхания и ассимиляции азота с помощью NO3- и нитрит (NO2-) редуктаз, содержащих богатые железом гем-группы9,17,26,27,28. Совокупный эффект опосредованной железом регуляции этих физиологических путей в конечном итоге контролирует рост фитопланктона. В океаническом фитопланктоне концентрация dFe регулирует выброс DOC, основного глобального пула углерода (660 Пг углерода в год)29. Производство DOC фитопланктоном увеличивается с ограничением dFe как механизма рассеивания энергии, связанного с доступностью питательных веществ30. Очевидно, что dFe может оказывать серьезное влияние на многочисленные физиологические пути морских водорослей.