是什么导致了蒙特雷湾最具毒性的海藻爆发

2019-11-01 304藻类

是什么导致了蒙特雷湾最具毒性的海藻爆发?2015年春末,北美西海岸经历了有史以来最毒的藻华。水华影响了包括凤尾鱼、海鸟和海狮在内的野生动物,并导致从加州到华盛顿的商业渔场关闭。科学家们很快了解到,水华是由拟硅藻属的硅藻组成的,但他们不知道为什么这些藻类变得如此有毒。一篇发表在《地球物理研究快报》上的新论文表明,至少在蒙特雷湾,由于海湾水域中硅酸盐与硝酸盐的比例异常低,这种硅藻爆发变得特别有毒。

研究背景

某些种类的拟菱形藻属硅藻会产生一种叫做软骨藻酸的强效神经毒素,这种毒素会导致哺乳动物的痉挛和死亡。这些硅藻在1991年和1998年曾经大量繁殖,导致蒙特雷湾大量海鸟和海狮患病和死亡。然而,研究人员仍在试图找出为什么一些拟拟菱形藻属水华比其他水华毒性更大。

2015年拟菱形藻属水华发生的同时,蒙特雷湾进行了一项大规模的生物学实验,名为有害藻华生态学和海洋学(ECOHAB)。在这个实验中,来自MBARI、加州大学圣克鲁斯分校、莫斯兰丁海洋实验室和美国国家海洋和大气管理局的科学家们测量了整个蒙特利湾的海洋条件以及拟菱形藻属和软骨藻酸的浓度。

研究内容

在ECOHAB实验期间,研究小组派出水下机器人在海湾巡航。机器人车上的传感器显示,表面下潜伏着高浓度的有毒拟硅藻。研究人员还在海湾的南北两端安置了两个机器人分子生物学仪器(环境样品处理器,简称ESPs)。ESPs证实了水华主要由一种特别有毒的物种组成,即拟菱形藻属,这些硅藻含有异常高浓度的软骨藻酸。结果是一个致命的组合:特别有毒的硅藻密集的种群。

MBARI海洋学家、这篇最新论文的主要作者John Ryan想知道,是什么导致了蒙特雷湾最具毒性的海藻爆发。他与ECOHAB团队合作,研究了2015年开花前的物理和化学条件,并将这些数据与前几年的测量条件进行了比较。

Ryan首先想到的是,异常温暖的海水可能在水华中发挥了作用。从2014年到2016年,东北太平洋的地表水比往常温暖得多,这种现象被称为“温水团”。但在将2015年的情况与历史数据进行对比后,瑞安发现,在水华期间,蒙特雷湾的海水并不异常温暖。在开花前后,温暖的海水确实影响了海湾,但在2015年春天,海水被当地的上升流冷却。

当强烈的西北风将地表水吹离海岸,使富含硝酸盐、硅酸盐和其他营养物质的寒冷、深水上升到海面时,就会发生上升流。因为这些营养物质就像海藻的肥料,上涌事件经常导致硅藻大量繁殖。春季,蒙特雷湾附近常有上升流。

2015年春季,3月下旬的一次非常强烈的上升流事件引发了拟菱形藻属水华。随后发生了几次较为温和的事件,使硅藻种群恢复活力,同时允许漂浮的藻类在海湾内继续生存和积累。这些物理因素有助于解释海湾内藻类的密集聚集,但无法解释为什么这些藻类含有如此多的软骨藻酸。

接下来,Ryan和他的同事研究了海湾的化学成分,重点研究了两种关键营养物质——硝酸盐和硅酸盐的浓度。硅藻在许多生化过程中都需要硝酸盐,包括软骨藻酸的产生。它们需要硅酸盐来生长和繁殖。

在过去的24年里,MBARI的研究人员几乎每个月都在蒙特雷湾测量硝酸盐和硅酸盐。通过研究这个独特的数据集,Ryan发现,在蒙特雷湾正常的春季条件下,硅酸盐比硝酸盐更丰富。然而,在2015年春季开花之前的几个月和期间,海湾水域的硝酸盐含量高于硅酸盐。事实上,在5月份的拟硝态氮爆发高峰期,水中基本上没有硅酸盐(据推测硅藻已将其全部吞噬),但仍有一些硝酸盐残留。

在科学文献中,研究人员发现,实验室和现场研究表明,如果硅酸盐用完了,但仍然有硝酸盐可用,拟菱形藻属硅藻会变得更加有毒。在这种条件下,硅藻不能快速繁殖,但仍能产生软骨藻酸。硅藻通过对半分裂进行繁殖,因此母细胞中的软骨藻酸被分裂为两个子细胞。但是,当硅酸盐与硝酸盐的比例较低导致繁殖频率较低时,软骨藻酸就会在单个硅藻中富集。

研究结果

是什么导致了蒙特雷湾最具毒性的海藻爆发?研究人员得出结论,2015年拟菱形藻属异常高的数量与上涌事件的强度和时间有关。但极高浓度的软骨藻酸可能是由不寻常的海洋化学物质造成的——特别是在海湾水域中硅酸盐与硝酸盐的比例很低。

因为海湾水域不同寻常的化学变化与东北太平洋的大规模变暖同时发生,研究人员怀疑这两种现象之间可能存在某种联系。然而,他们没有足够的蒙特利湾以外的海洋化学数据来充实这种联系。

在回顾最近的论文时,Ryan说:“这项研究的结论之一是,我们需要良好的化学和物理数据来理解和预测有害的藻华。在这种情况下,营养硅酸盐似乎是关键因素。然而,其他营养物质,如(废水中的)尿素,也会影响这些藻类的毒性。我们期待着应用我们的新技术来监测沿海海洋的生物、物理和化学条件。这将帮助我们了解并最终预测有害藻类繁殖可能在何时何地发生。”

引用

Monterey Bay Aquarium Research Institute. "What caused the most toxic algal bloom ever observed in Monterey Bay?." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 June 2017.
www.sciencedaily.com/releases/2017/06/170605150254.htm.

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