颗石藻光合作用与钙化作用的研究现状

刘发龙 李芸 王巧晗 宫庆礼

摘 要：对颗石藻的生物学种类、形态特征、分布特点做了简单概括，探讨了影响颗石藻光合作用与钙化作用的多种因素，包括光照、温度、营养盐与海水酸化，揭示了光合作用与钙化作用之间的偶联机制，对颗石藻的利用价值做出了展望。

關键词：颗石藻;光合作用;钙化作用;光合与钙化偶联机制

1 颗石藻简介

颗石藻（coccolithophores）属于定鞭藻门，定鞭藻纲[1]，它是海水中可以进行钙化作用的单细胞微藻，在世界大洋中拥有最高产的钙质功能[2]。颗石藻最先是由Ehrenberg在1836年在波罗的海发现的一种类似矿物质结构，到1858年由Huxley取名为颗石（Coccolith），后来Wallichi和Sorby在1861年发现这些颗石类似一种圆形的球体，于是将其命名为颗石球（Coccosphere），又经过Murray等人研究发现这些颗石都是由单细胞微藻产生，因此将能够产生颗石的微藻统称为颗石藻[3]。

1.1 颗石藻种类

根据藻体存活方式可以分为今生颗石藻和化石颗石藻，我们将目前正常生长的活颗石藻称为今生颗石藻;化石颗石藻存在于不同地质年代的海底沉积物或沉积岩中。到目前今生颗石藻有接近70属400种被发现并记录[4]，在中国近海还有很多未被确定的种类[5]。

根据藻体表面颗石粒的形态可分为以下五大类：微石型（Nannolith）：此种颗石粒一般较小，形态不固定，例如颗石粒呈多边形的布拉藻属（Braarudosphaera），呈马蹄状的角石藻属（Ceratolithus），呈洋蓟状的花球藻属（Florisphaera）;盾石型（Placolith）：颗石粒中间有盾，相互之间呈瓦状排列，例如颗石粒为圆形或椭圆型的钙盘藻属（Calcidiscus）、脐球藻属（Umbilicosphaera）、卵石藻属（Oolithotus），盾边缘有辐射条幅的哈氏星藻属（Hayaster），颗石粒上有I状裂口的艾密里藻属（Emiliania），盾片的中间有桥横跨的桥石藻属（Gephytocapsa;舟石型（Scypholith）：颗石粒为菱形，边缘升高，颗石粒中间有横向的条形结构整齐排列，例如舟管藻属（Calciosolenia）;棒石型（Rhabdolith）：颗石粒一般为辐射状，中间有棒状突起，突起的末端有时会膨大或者为针状，例如杆形棒状球藻（Rhabdosphaera clavigera）、梵氏冑甲球藻（Palusphaera vandelii ）等;盘石型（Discolith）：颗石粒是由环状的盘组成，盘中心有凹陷存在，有的呈拱状外缘，有的呈伞状外缘，例如条结藻属（Syracosphaera）、伞球藻属（Umbellosphaera）、螺旋球藻属（Helicosphaera）等[5-9]。

从细微结构观察，藻体表面的颗石粒可分为六角形和不规则两种，而在自然界中大部分藻体表面的颗石粒为不规则类型，这一类型的颗石藻被称为异颗石藻[10]。

1.2 颗石藻形态特征

颗石藻表面虽然存在9+2型鞭毛，但是钙化藻体的鞭毛不能运动，如E. huxleyi CCMP 2668属于二倍体藻株，表面的颗石层阻碍了藻体的运动;但是像E. huxleyi CCMP 374则属于单倍体藻株，因其表面的颗石粒被有机鳞片物质所代替，所以并不影响其鞭毛的运动[14]。钙化型颗石藻表面的颗石粒主要是由CaCO3和藻多糖共同组成。E. huxleyi颗石粒在细胞膜外围一般覆盖1～2层，颗石层不仅保护细胞膜，还有减少被捕食概率，增加营养吸收，调节细胞沉降，反射紫外线等作用[15]。

藻多糖直接影响方解石的生长方向[16]，在颗石粒形成之前多糖PS1与多糖PS2相间形成环形结构，这时Ca2+与多糖PS2结合，之后再有2个形状不同的钙板参与，2个钙板之间用多糖SP3连接，在预成型的颗石粒表面积聚糖被，不断向外延伸，从而出现不同形状的颗石粒[17]。自然界中常见的颗石粒有正常、过钙化、畸形和不完整四种类型[18]。

1.3 颗石藻分布

颗石藻在高硝酸盐、低磷酸盐、高光、低温的海域中分布最广泛[19]，但是在南北极低温海域与热带高温海域均有发现颗石藻的分布;在磷酸盐浓度极低的地中海东部与磷酸盐浓度极高的大西洋西岸E. Huxleyi也能大量生长[18]。E. Huxleyi虽然能在1～30℃范围内生长，但是温度为18～23℃的海域易出现藻华[20]，Pleurochrysis carterae在7～25℃范围内的海域中有大量分布[21]，颗石藻对环境较强的适应性解释了它在全球海域中广泛分布的原因。

全球四分之一的颗石藻物种在中国海域被发现[5]，仅中国东海与南海的两大海域颗石藻物种就超过了41种，其中以U. tenuis、E. huxleyi和G. oceanica为优势种[22]，在中国南海西部颗石藻正常密度可达32 960.06 cells/L[23]。分布于亚热带与热带大洋中的颗石藻统称为大洋性（oceanic species）颗石藻，而分布在近海海峡或沿岸地区的统称为近岸性（neritic species）颗石藻[5]。

虽然多数种类的颗石藻主要生活在10～200 m真光层的海水中[24]，但是颗石藻的生存环境存在一定的规律，即随着纬度的增加颗石藻越靠近表层海水，例如在中国的南海西部，颗石藻主要分布在50 m 和 75 m 水层[24]，然而在纬度稍高的亚北极太平洋东北部颗石藻主要分布在10～20 m的表层海水，水深超过30 m时，几乎不存在有活性的颗石藻[25]。

1.4 颗石藻对营养元素的要求

在营养盐缺乏的培养基中E. huxleyi分裂能力降低，体积变大，表面的颗石粒极易从藻体表面脱落[26]。氮占颗石藻细胞干重的7%～10%，磷占细胞干重的1%[27]。有研究表明氮缺乏条件颗石藻细胞内多糖和脂质等物质含量增多[28]，胞内的不饱和脂肪酸DHA的含量可高达细胞干重的10%～13%[29]，并且叶绿体中光复合体II（PSII）在第38天后消失，而磷源缺乏时PSII在第7天就已经消失[30]。颗石藻通过主动运输方式吸收无机磷，在极度缺乏磷元素的地中海区域，颗石藻自身具有合成碱性磷酸酶功能，可以将外源有机磷转化为无机磷形式供自身利用[31]。微量元素在颗石藻的生长中发挥了重要作用，其中Fe可以作为辅酶的辅助因子、Zn是碳酸酐酶合成的必须元素、Mn是三羧酸循环多种酶的活化剂、Ca参与到自身的钙化作用中。

不同种的颗石藻所需要的营养盐浓度不同，例如P. carterae最适NaNO3浓度为225 mg/L，最适NaH2PO4·2H2O浓度为22.6 mg/L[32]，然而E. huxleyi适合在营养盐浓度极低的大洋深处生长[33]。

2 颗石藻光合作用研究现状

2.1 主要光合色素

颗石藻细胞中的色素主要是叶绿素a、叶绿素c和β-胡萝卜素，另外还包括硅藻黄素、褐藻素等多种光捕获色素[34]，不同种类的颗石藻之间色素也存在差异，甚至不同亚种之间的色素含量也存在差异，如表2所示，E. huxleyi的两种类型的细胞中显示非钙化型细胞叶绿素a与叶绿素c含量高于钙化型细胞。

2.2 环境对颗石藻光合作用的影响

2.2.1 光照对光合作用的影响 颗石藻对强光不敏感，但对紫外线较为敏感，当藻细胞暴露在紫外线UV-A 19.5 W·m-2时光合速率会降低6%～15%[36]。长期生长在紫外线较强环境中的颗石藻，颗石层的厚度会增加2.1倍，这样可以增加紫外线反射，从而减轻对藻体的伤害，最终保证光合作用的高效运行[37]。E. huxleyi的光补偿点为5.9 μmol·m-2·s-1[38]，随着光强的增加颗石藻的光合作用能力逐渐增加，繁殖速度变快，极易形成藻华[39-40]。研究发现营养盐浓度越高颗石藻光合作用所需要的饱和光强越强[32]，因此颗石藻的光合作用强弱与光照强度以及营养盐浓度之间也存在相关性。

弱光条件藻体内岩藻黄素和叶绿素a为主的光捕获色素含量显著增加，目的是保证藻体在弱光条件下正常光合作用[41]。颗石藻在强光400 μmol·m-2·s-1条件下与普通光强150 μmol·m-2·s-1的光合放氧速率相似，并未出现光抑制现象[33]。

2.2.2 温度对光合作用的影响 高温与高光之间对颗石藻生长存在拮抗效应[40]，高温使藻体呼吸作用加强，不利于藻体有机物积累。如果将正常生长条件下的颗石藻转移到低温条件时，会有一定的适应期，过了适应期则可以正常进行光合作用，但是如果由正常条件下培养的颗石藻转移到高温条件则不会有适应期，温度过高反而会导致参与藻体光合作用的酶失活。Sonosa[42]表示在海水温度為25℃时E. huxleyi光合作用能力最强。

2.2.3 营养盐浓度对光合作用的影响 缺磷条件虽然不会影响E. huxleyi和P. carterae的增长速率，但是细胞内叶绿素含量会显著降低，因此会降低藻体的光合作用速率[32]。相反，当胞内磷酸盐浓度较高时，藻体的光合速率也会有明显的提高，二者之间存在明显的正相关性，但是胞外磷酸盐浓度与光合作用能力并没有相关性[43]。当氮源缺乏时G. oceanica中叶绿素a含量会有显著提高，低氮磷比有利于繁殖[44]，但是当培养基中氮严重缺乏时，颗石藻则不能长时间存活[45]。当Zn、Mn等元素缺乏时会直接影响叶绿体的结构，藻体光合作用速率显著降低。

2.2.4 海水酸化对光合作用的影响 海洋酸化问题日益显著，但是酸化与光合作用之间的关系还没有明确的结论。绝大多数的科学家认为海水酸化可以促进颗石藻的光合作用，因为光合作用的碳源主要是来自于CO2，CO2浓度升高会使光合作用增加，例如Barcelos[46]，Shi[47]，Müller[48]等人均认为E. huxleyi在酸化条件下光合作用能力显著增加，以及Riebesell[49]，蔡晓霞[45]等人认为G. oceanica在CO2浓度较高环境下Chl a的含量会明显增加，因此光合作用能力也增加。然而相反的是Sciandra[50]却认为自然界中的E. huxleyi在酸化条件下光合作用能力减弱，因为一方面降低的pH环境使藻体内酶活性的降低，另一方面降低的pH使颗石层的厚度变薄，紫外线对藻体辐射程度增加20%～25%的伤害，导致光合作用能力降低。另一方面以Lenardos[41]与Langer[51]为代表的科学家认为E. huxleyi、Calcidiscus leptporus与Coccolithus pelagicus在酸化条件下对光合作用没有显著影响。

2.3 颗石藻光合作用对环境的影响

全世界范围内颗石藻光合作用释放的O2可达6.943×1011 t[52]。颗石藻的光合作用为藻体的不断分裂积累了大量的有机物，其中对环境影响最显著的是颗石藻藻华，平均每年有140万km2的颗石藻藻华在全球爆发[53]，以E. huxleyi为代表的藻华易在高纬度海域形成[54]。

3 颗石藻钙化作用研究现状

3.1 颗石藻钙化机制

颗石藻钙化作用的产物是CaCO3，反应式可表示为（式1），从细胞学角度分析，藻体利用外源的Ca2+与多糖在高尔基体内产生颗石粒，然后转移到颗石粒囊中成熟，最后通过胞吐形式转移到细胞表面，研究显示每形成一个新颗石粒最快需要1 h[55]。

Ca2++2HCO-3→CaCO3+H2O+CO2（式1）

3.2 环境对颗石藻钙化作用的影响

3.2.1 光照对钙化作用的影响 光照强度的波动会使颗石藻的体积变大，钙化速率增加[40]。黑暗条件不利于颗石藻钙化甚至还会出现脱钙现象[56]。黑暗处的E. huxleyi钙化速率约为在光照下钙化速率的1/10，每天黎明时期太阳光线较弱，颗石藻为了能够较好的利用光能，颗石粒厚度较薄，随着光强的增加，颗石粒的厚度也在增加，当光强达到500 μmol·m-2·s-1的颗石藻饱和光强时，颗石藻的钙化能力也达到最大，厚厚的颗石粒能有效的减轻强光或紫外线对藻体的伤害，因此颗石粒的厚度很好地适应了每天光照强度的变化规律[57]。

3.2.2 温度对钙化作用的影响 高温条件下藻体的钙化速率提高，同时颗石粒中Sr /Ca和Mg/Ca比值也会增加[58]，因此可以通过研究化石颗石粒中金属含量的比值确定古海洋温度变化情况。

3.2.3 营养盐浓度对钙化作用的影响 当培养基中磷酸盐浓度较低时，颗石藻会不断积累藻多糖和碳酸钙，使细胞体积变大，细胞钙化能力增强，正常情况下E. huxleyi细胞表面颗石粒数目大约为36个，如果在磷限制的培养基中培养时，颗石粒的数目会增加到70～120个，此时颗石粒极易从细胞表面脱落，且磷酸盐限制条件下畸形颗石粒出现的概率可增加8%[59]，但是Angela等人[18]在研究的六种地中海颗石藻中发现，颗石藻在缺磷的环境中畸形颗石粒出现的概率远低于正常营养条件，出现两种截然不同的结果可能是因为颗石藻长期生长在缺磷环境下，已经适应这种环境。如果将E. huxleyi分批培养在f/2培养基中，培养后期会出现部分的脱钙现象[60]，出现这一现象一方面是因为后期的培养基中磷酸盐耗尽，颗石粒畸形率增加，藻体分裂速度变慢，细胞体积变大，导致颗石粒之间连接不紧密而脱落。但是当培养基中氮源缺乏时藻体钙化作用如何变化目前没有确定结论，Langer[61]表示E. huxleyi在缺乏氮元素的海水中生长时，其钙化能力增加1.2倍，增加藻体的沉降速率，使藻体能够更好的利用深层海水中的营养物质;然而Kaffes[62]则表示E. huxleyi在缺氮时钙化能力将会降低30%，至于为何出现两种截然不同的结果目前还没有明确的解释。

3.2.4 海水酸化对钙化作用的影响 随着海洋酸化现象的出现，预计在2100年海水的pH降低到7.8，这一变化受影响最明显的是钙化生物[26]。Iglesias等人[63]表示颗石藻在较高的 CO2浓度下（750 μatm）培养时，其钙化能力是正常培养条件下的2倍，钙化能力与CO2浓度呈线性关系，并且CO2浓度越高藻体体积越小，因此他们猜测预计随着海水酸化程度的增加，颗石藻很有可能被其他浮游植物替代。然而另一方面有科学家表示E. huxleyi、G. oceanica、C. leptporus与C. pelagicus在酸化条件下钙化能力会下降，尤其E. huxleyi的在酸化条件下钙化能力减弱16%～83%[48]，这主要是因为海水酸化，使颗石粒在海水中有不同程度的溶解。其次，蔡小霞等[45]认为CO2浓度较低时，E. huxleyi会出现随CO2浓度增加钙化能力增加现象，但是当CO2浓度过高时则钙化作用停止。虽然目前有很多的研究关于海水酸化与颗石藻钙化之间的实验，但是目前依然不能准确的预测未来二者之间的相互关系。

3.3 颗石藻钙化作用对环境的影响

颗石藻的钙化作用可以将CO2封存。颗石藻占全球总浮游植物量的10%[64]，每年将空气中7.333×1011 t的CO2被吸收和固定，通过钙化作用有1.28×109 t的CaCO3沉入海底进入地化循环[33]，因此颗石藻钙化作用在降低空气CO2的能力上更具有优势。

3.4 化石颗石藻研究意义

化石颗石藻的研究主要集中在其钙化产物方面，古海洋中的颗石藻死亡后有机质被分解，颗石粒在海底沉积后被保存下来[65]。气候的变化首先会影响海洋表层水体环境[66]，而颗石粒的形态易受环境的影响，因此在研究古气候时常把化石颗石粒的形态以及钙化程度作为一种重要的参考，例如我们前面提到的E. huxleyi在强光条件下颗石粒钙化程度升高，高温使颗石粒中的Sr /Ca和Mg/Ca比值以及钙化速率均增加，营养盐浓度与颗石粒畸形率也存在相互关系，因此根据颗石粒的表观特征可以推断古海洋生态环境。Su[67]根据沉积岩中Florisphaera profunda颗石粒的相对百分含量重建了南海26万年前古海洋的生产力模型;在藏北羌塘地区发现了侏罗纪时期颗石藻（Ellipsagelosphaera sp.）經钙化沉积形成的黑色岩系，为研究烃源的科研工作者提供了新的研究思路[68];金晓波[69]统计苏拉威西海海底的化石颗石藻种类后重新构建了2万年前海洋古生产力和营养变化的模型;苍树溪[70]在研究冲绳海槽时发现，在沉积物的最底层主要的颗石藻化石类型为Gephyrocapsa aperta-G. oceanica组合（代表玉木亚间冰期），中层为Gephyrocapsa ericsonii-Coccolithus crassipons组合（代表晚玉木冰期），上层为E. huxleyi-G. oceanica组合（代表冰后期），每个化石颗石藻组合代表一个气候期，以此推测地层年代。因此化石颗石藻在地层的研究中有重要的参考价值。

4 颗石藻光合作用与钙化作用偶联机制

颗石藻具有光合与钙化两大作用，光合作用释放O2，钙化作用过程虽然有CO2的释放，但是吸收了更多的HCO-3，因此同样属于固碳过程。海水中CO2溶解度较低，因此生长在海水中的浮游植物会采用各种方式来提高胞内CO2浓度，颗石藻除自身的碳浓缩机制外还可以收集钙化作用产生的CO2来提高胞内浓度，从而保证光合作用正常运行。当颗石藻进入衰退期时，藻体开始向海底沉降，在沉降的过程中依然进行微弱的钙化作用，因此这一过程能够使CO2在深海中垂直迁移。

在探究光合作用与钙化作用之间存在什么样的关系时，人们进行了大量的实验。Herfort（2003）[71]表示E. huxleyi在不含钙元素的培养基中培养时发现钙化作用虽然停止但是光合作用仍然正常进行，若将颗石藻转移到正常培养液的黑暗环境中，钙化作用可以正常进行，但光合作用已经停止，因此他认为颗石藻的光合作用与钙化作用属于两个独立的过程。然而对于这一结果Sekino等人[61]却提出了相反的结论，认为E. huxleyi在黑暗环境中培养时其钙化速率非常低，甚至有脱钙的现象;以及邢涛等人[40]表示E. huxleyi在缺乏钙离子时钙化作用首先降低，随即藻体的光合固碳速率也降低，并且当光合作用能力降低时，由光合电子传递链产生的ATP减少降低了耗能的钙化作用速率;从能量角度进行分析，颗石藻的钙化作用属于耗能过程，而光合作用可以积累能量，因此光合作用所积累的能量正好为钙化作用所利用[72]。颗石藻的光合作用与钙化作用之间偶联性的判断目前还没有统一的标准，目前只是最具有认可性的是Moheimani[73]经修改后的光合钙化偶联模型，在这一模型中仅仅显示了光合作用与钙化作用之间的物质交换机理，但是在两大作用之间仍然存在很多不能解释的现象，例如颗石藻为什么在黑暗处能够进行钙化作用，以及某些颗石藻体内缺乏HCO-3转运蛋白等问题，至于在光合作用与钙化作用之间是否存在其他相互关系目前还没有很好的解释。

5 顆石藻未来价值

人类活动的影响使颗石藻的生存环境不断的改变，趋于变化的生存环境最终将如何影响颗石藻的生理生化反应又是一件值得探讨的课题。颗石藻不仅在减少温室气体方面有独特优势，而且在食用方面有巨大潜力，Takenaka[74]表示如果将颗石粒进行适当处理后添加到补钙剂中，很容易被人体吸收利用，这是因为一方面颗石粒中CaCO3含量可达细胞干重的10%，另一方面颗石粒体积非常小，具有巨大的比表面积，有利于在肠道内进行消化吸收。同时颗石藻的钙化作用产物可作为人造骨骼等生物医学材料。此外颗石藻体内含有大量的维生素B12、岩藻黄素、不饱和脂肪酸等有用物质，对颗石藻进行适当处理后可作为保健品补充给人体。颗石藻除了为人类食用外，在水产养殖方面还可以作为水产品幼苗的饵料[75]。颗石藻体内油脂含量占藻体干重的33%，可作为生物燃料用于工业化生产[76]。随着人类研究的不断深入，根据藻体本身特性合理设计培养方式，在未来的生产实践中颗石藻将会发挥不可估量的作用。

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