A proton buffering role for silica in diatoms

For 40 million years, diatoms have dominated the reverse weathering of silica on Earth. These photosynthetic protists take up dissolved silicic acid from the water and precipitate opaline silica to form their cell wall. We show that the biosilica of diatoms is an effective pH buffer, enabling the enzymatic conversion of bicarbonate to CO2, an important step in inorganic carbon acquisition by these organisms. Because diatoms are responsible for one-quarter of global primary production and for a large fraction of the carbon exported to the deep sea, the global cycles of Si and C may be linked mechanistically.     

Short-period climatic fluctuations: effects on diatom biomass

An analysis of the weekly averages of diatom biomass measured near the coast of Southern California (32 degrees 50'N, 117 degrees 10'W) during the period from 1928 through 1939 indicates that three major blooms account for 85 percent of each year's diatom biomass. The average duration of a single bloom is 5.5 weeks. The diatom blooms coincide with upwelling, but their individual characteristics depend on the detailed features of the circulation patterns of the water masses. That is, if upwelling takes place after a large influx of subtropical or even tropical water because of the slackening California Current, the resulting diatom blooms are smaller by several orders of magnitude than those observed when the flow of the current is strong. This influx of subtropical water into the region is reflected in positive anomalies of temperature, salinity, and sea level.     

台湾海峡西北部海坛岛东南沿岸上升流对表层沉积硅藻的影响

[目的]探讨台湾海峡西北部海坛岛东南沿岸上升流对表层沉积硅藻的影响。[方法]以台湾海峡西北部海坛岛东南沿岸的表层沉积硅藻为材料,对其进行筛选、制片、观察,研究其属种分布特征和上升流对其的影响。[结果]按照表层沉积硅藻的丰度分布特征,将其分为三个研究区,以柱状小环藻、具槽直链藻和波状辐裥藻为主要的优势种群。结合温度、盐度的资料,可以得出海坛岛东南沿岸海域存在上升流。[结论]该研究为进一步探讨海坛岛东南沿岸海域表层沉积硅藻与上升流的关系提供了科学依据。     

Perception of environmental signals by a marine diatom

Diatoms are a key component of marine ecosystems and are extremely important for the biogeochemical cycling of silica and as contributors to global fixed carbon. However, the answers to fundamental questions such as what diatoms can sense in their environment, how they respond to external signals, and what factors control their life strategies are largely unknown. We generated transgenic diatom cells containing the calcium-sensitive photoprotein aequorin to determine whether changes in calcium homeostasis are used to respond to relevant environmental stimuli. Our results reveal sensing systems for detecting and responding to fluid motion (shear stress), osmotic stress, and iron, a key nutrient that controls diatom abundance in the ocean.     

Skeleton of Euplectella sp.: structural hierarchy from the nanoscale to the macroscale

Structural materials in nature exhibit remarkable designs with building blocks, often hierarchically arranged from the nanometer to the macroscopic length scales. We report on the structural properties of biosilica observed in the hexactinellid sponge Euplectella sp. Consolidated, nanometer-scaled silica spheres are arranged in well-defined microscopic concentric rings glued together by organic matrix to form laminated spicules. The assembly of these spicules into bundles, effected by the laminated silica-based cement, results in the formation of a macroscopic cylindrical square-lattice cagelike structure reinforced by diagonal ridges. The ensuing design overcomes the brittleness of its constituent material, glass, and shows outstanding mechanical rigidity and stability. The mechanical benefits of each of seven identified hierarchical levels and their comparison with common mechanical engineering strategies are discussed.     

西江下游浮游植物群落周年变化模式

西江肇庆段是珠江干流汇入珠三角河网水域的咽喉通道,对2009年该江段的浮游植物群落组成及变化进行系统阐析。调查期间共发现浮游植物7门,245种(包括变种、变型),其中硅藻和绿藻是浮游植物群落组成的最主要类群,分别占总种数的42.44%和34.69%,其次是裸藻和蓝藻。PCA分析结果显示,浮游植物各类群的种类丰富度和生物量的周年变化趋势主要受水温和径流量的影响。浮游植物种类丰富度的周年变化呈现明显的高温季节高,低温季节低的特征,除因大多数藻类物种直接喜好高温之外,径流量的增大有助于真浮游绿藻种类的外源注入及半浮游和偶然性浮游硅藻种类的增加。浮游植物生物量的周年变化呈现明显的双峰型,峰值分别出现在8月和11月。然而8月份第1个高峰出现之前,生物量波动不大,尽管水温的升高有助于生物量的增加,但是径流量增大所带来的稀释作用掩盖了水温上升对浮游植物生长的促进作用。真浮游植物生物量的变化趋势和数值与总浮游植物极其接近,主要得益于真浮游硅藻物种颗粒直链藻在总种群中的绝对优势地位。综上,水温升高对浮游植物种类丰富度和生物量的增长均有促进,径流量的增大虽然有助于种类丰富度的增加,但不利于生物量的增加。     

浙江义乌市城镇化对溪流底栖硅藻群落的影响

于2010年4月调查了浙江省义乌地区5个参照和9个城镇溪流样点的理化性状、底栖硅藻群落及所在流域土地利用。Spearman秩相关分析表明,流域城镇化强度指标——不透水地表面积比与电导率、总氮和磷酸盐等理化因子呈显著正相关,也与喜富营养型硅藻与耐污型硅藻比例呈显著正相关。非度量多维尺度分析(NMDS)与相似性检验(ANOSIM)分析表明,参照溪流与城镇溪流的底栖硅藻群落具有显著差异。参照溪流底栖硅藻平均密度(5.67×105cell.cm-2)低于城镇溪流(6.11×106cell.cm-2),并且参照溪流运动型、富营养型和耐污型硅藻比例也显著低于城镇溪流。城镇溪流优势种是Na-vicula minima(50.75%),参照溪流为Rhoicosphenia abbreviate(55.71%)。典范对应分析(CCA)表明,森林面积比、底质组成、二氧化硅、电导率、钙离子和镁离子是影响研究样点底栖硅藻群落的主要环境因子。研究结果证实,城镇化会显著改变城市溪流底栖硅藻群落结构,底栖硅藻可作为评价溪流生态质量的指示生物。     

海洋硅藻叶绿素a测定方法的改进

[目的]研究海洋硅藻叶绿素a测定方法的改进。[方法]通过对现有的叶绿素a测定方法（规范法、浸泡法、冻融法）进行比较分析,结合硅藻细胞自身特征,对海洋硅藻叶绿素a测定方法进行改进。[结果]将原先的冻融法和浸泡法中的手动振荡改为漩涡振荡20m in,并将浸泡法的浸泡时间减少为6 h。对比分析表明,改进后的冻融法和浸泡法的相对标准偏差均低于5%,较原先的冻融法和浸泡法有进一步的降低,且叶绿素a相对值较高。[结论]改进后的冻融法和浸泡法更加适合海洋硅藻叶绿素a含量的测定,具有很好的重复性,测量结果相对精确度高,操作简便,适用于数据量较大的试验。     

福建浮宫红树林区的硅藻组成研究

[目的]初步分析了福建九龙江浮宫红树林区的硅藻组成。[方法]此次研究分析鉴定了浮宫红树林区6个表层样和1个柱状样的硅藻属种组成。[结果]①浮宫红树林沉积硅藻植物群属种多样性强,共鉴定出硅藻34属103种(含不定种),大部分为中心纲的圆筛属;②红树林区底泥中硅藻数量丰富。[结论]沉积硅藻种群以浮游的海水种和咸水半咸水种为主,说明浮宫红树林处于以海水作用为主的沉积环境中。     

一个天然水体硅藻区系的演替

本文报导了山西省太谷县一个天然水体硅藻区系的演替。标本自1979年11月到1981年1月逐月定点采集,初步鉴定的结果,共10科25属104个分类单位。从逐月硅藻种类的消长情况,看出该水体硅藻区系的演替,其中一些种常年出现,如:库津小环藻叔曼变种Cyclotella kuetzingiana var。Schumannii Grun,变异直链藻Melosira varians Ag。新月形桥弯藻Cymbella cymbiformis(Ag？Kuetz)V.H.另一些种从4月或6月到次年1月出现,前者如:弯羽纹藻Pinnularia gibba Ehr,后者如:短角美壁藻Caloneis silicula(Ehr.)Cl,有些种在一年中仅出现1——2次,如:大美壁藻Caloneis permagna(Bailey.)Cleve.,彩虹长篦藻Neidium iridis(Ehr.)Cl.,作者认为常年出现的种对温度反应极为迟钝。而一年中仅出现1——2次的种则对温度反应极为敏感。如果在某一个时期一些种大量出现,可以看作这种温度为最适温度,如;弯羽纹藻P.gibba Ehr。10月气温16℃,水温14℃。这样就提供了培养硅藻的温度范围。同时,也可以作为鉴定化石硅藻时推测当时(古气候)的参考。     

河流硅藻指数在太子河水生态健康评价中的应用研究

为了用硅藻指数评价太子河的水生态健康状况,于2012年5月对太子河河岸不同土地利用方式(森林用地、森林耕作用地、耕地和城镇建设用地)下的38个采样点位进行了调查研究,并应用6项硅藻指数(硅藻生物指数IBD、硅藻属指数IDG、特定污染敏感指数IPS、欧盟硅藻指数CEE、硅藻营养化指数TDI和戴斯指数DESCY)对太子河的水生态环境进行健康评估。结果表明:MRPP结果显示,太子河流域4种土地利用类型具有显著的空间异质性(P0.05);太子河流域香农多样性指数、均匀度指数和物种丰富度的平均值分别为2.96、0.72和18,物种密度为7.83×106cells/cm2;根据相关分析显示,硅藻指数之间、硅藻指数与水环境因子之间具有显著的相关性(P0.05);根据K-S检验,6项硅藻指数均符合正态分布;根据线性回归方程分析,D-IBI与IBD、IPS、IDG、CEE、TDI、DESCY均呈显著的线性回归关系(P0.05),表明6项硅藻指数在太子河流域具有较好的适用性;用硅藻指数评价太子河流域的结果显示,太子河上游地区水生态健康状况较好,中游地区水生态健康状况一般,下游地区水生态健康状况较差。     

硅藻对渔业的支撑作用与负面效应探讨

传统认为,硅藻在水域食物链"硅藻—桡足类—鱼类"中起着支配作用,但近来的研究结果对此认为提出了质疑。为了深入探明硅藻在其中的作用机理,从硅藻对渔业正反两方面的作用进行了综述分析。     

太湖流域源头溪流富营养化特征及影响因素

为研究太湖流域源头溪流水体富营养化特征及其影响因素,以2013年南苕溪主要河流四季水质数据为基础,探讨了环境因子与藻类的变化规律及其相互作用机制.结果表明：水环境中TN、TP、Chl-a平均含量分别为2.81 mg/L、0.11 mg/L、16.70 mg/L,氮素含量较高.自上游源头林区至下游城镇区,营养盐、Chl-a含量和营养状态都明显上升,说明流域富营养化状况受人为活动影响显著.与上游源头林区相比,其他区域藻类群落对Chl-a贡献比例的变化主要表现为硅藻比例的下降以及蓝藻和绿藻比例的上升.相关性分析表明,水温、浊度、电导率、流速以及营养盐中的TP和PO34--P与Chl-a含量显著相关.水温是影响蓝绿藻生长的重要因素,硅藻的数量与浊度和营养盐含量存在明显正相关,水体流动对藻类的生长具有抑制作用.     

Blue-green algal inhibition of diatom growth: transition from mesotrophic to eutrophic community structure

Cell-free filtrates of axenic or bacterized cultures of the dominant blue-green algae from a freshwater lake inhibited the growth of diatoms isolated from the same lake. Lake waters, collected during blue-green algal blooms, also inhibited diatom growth. In situ observations over a 5-year period indicate that diatom bloom populations vary inversely with the levels of the preceding blue-green algal populations. Blue-green algal dominance of eutrophic lakes is attributed to this allelopathy, and dilution is proposed as one cause for the limited occurrence of blue-green alga dominance in marine waters.     

不同方法提取海洋硅藻粗多糖的比较

采用不同提取方法(水提法、酸提法、碱提法、超声辅助法、冻融辅助法等)从室外培养的海洋硅藻生物质中提取粗多糖。通过比较不同方法下的粗多糖提取率、多糖总糖、蛋白质及硫酸基含量筛选较优的方法。试验结果显示,水提法的粗多糖提取率最低,浓碱法粗多糖提取率最高。物理法(超声、冻融结合高温法)提取的粗多糖中总糖含量总体比化学试剂法(酸碱法)高,以冻融+90 ℃最高,稀酸法最低;硫酸基含量则以稀酸法最高,浓碱法最低。综合单位质量海洋硅藻生物质粗多糖提取率与单位质量粗多糖组成的结果可知,单位质量硅藻生物质提取的总糖量大小为:浓碱+冻融法>浓碱+冻融+90 ℃法>浓碱法>稀酸法>超声+冻融+90 ℃>稀碱法>超声+冻融>冻融+90 ℃;硫酸基质量以浓碱+冻融法最高,稀碱法最低。这些结果表明,利用浓碱+冻融法可从海洋硅藻中提取出较多多糖并使硫酸基处于较高水平,利于硅藻多糖后续的纯化与利用。进一步利用浓碱+冻融法提取4种海洋硅藻(角毛藻、菱形藻、茧形藻、海链藻)粗多糖,结果表明,单位质量生物质提取的粗多糖总糖含量以茧形藻最高(约24%),海链藻最低(约5%);硫酸基含量则以角毛藻最高(5.05%),茧形藻最低(0.51%)。     

Oxygen isotopes in biogenic silica: global changes in ocean temperature and isotopic composition

A record of oxygen isotopes in biogenic silica from a deep-sea sediment core from the Southern Ocean reveals that marine diatoms retain their primary isotopic composition after burial. As a result, the marine diatom record can be combined with data on coexisting planktonic foraminifera to monitor past surface temperature and isotopic composition of seawater. The coupling of these two records allows the solution of two paleotemperature equations for each core interval. Data from a South Atlantic core show that the average delta(18)O during the glacial period at this site was higher by about 1.3 per mil than average Holocene values, and that average glacial-age temperatures were not significantly different from average Holocene values.     

武汉月湖沉积物中硅藻的垂直分布与水质变化

采用活塞取样器采集了月湖湖中央2处钻孔沉积物,分析了其中硅藻种类与密度的垂直变化,同时采用210Pb/137Cs推测沉积物的沉积速率.并进行了总有机质、生物硅含量分析,以了解月湖各个不同年代的水质变化.结果表明,2个柱状沉积物中硅藻的优势属为:小环藻属、直链藻属、舟形藻属、Cyclostephanos属.Z-1钻孔优势种为:梅尼小环藻、颗粒直链藻、Navicula porifera、Cyclostephanos tholifomis.Z-2钻孔中优势种为:梅尼小环藻、颗粒直链藻、舟形藻、Cyclostephanos invisitatus.就硅藻密度而言,总趋势是上层最多,平均7.14×105～58.65×105 ind·g-1,中层其次,平均0.08×105～13.98×105 ind·g-1,下层最少,平均0.24×105～0.64×105 ind·g-1.硅藻种类数变化虽然没有明显规律,但种类最少的样品出现在中层,210Pb/137Cs测年数据表明中层为19世纪90年代-20世纪70年代.相关分析表明:Z-1孔生物硅与沉积硅藻密度显著正相关(r=0.933,P=0.021<0.05),总有机质含量与种类数显著负相关(r=-0.972,P=-0.005<0.05);Z-2孔生物硅与沉积硅藻密度显著正相关(r=0.985,P=0.002<0.05),沉积硅藻密度与种类数显著负相关(r=-0.933,P=0.021<0.05).研究结果表明,月湖沉积物中硅藻种类与密度的垂直变化可以反映月湖的富营养演化历程:19世纪60年代-19世纪80年代,月湖水质较好;19世纪90年代-20世纪10年代,月湖开始由贫营养状态向中营养状态转变,为水体富营养化开始发生时间;20世纪20年代-20世纪40年代,月湖水体营养等级持续增加,已富营养化;20世纪50年代-20世纪70年代,周边人口数量急剧上升与污水的直接排放导致月湖水质持续恶化;20世纪80年代至月湖截污前这段时期使月湖最终沦为劣五类水体的湖泊.     

Substrate-controlled succession of marine bacterioplankton populations induced by a phytoplankton bloom

Phytoplankton blooms characterize temperate ocean margin zones in spring. We investigated the bacterioplankton response to a diatom bloom in the North Sea and observed a dynamic succession of populations at genus-level resolution. Taxonomically distinct expressions of carbohydrate-active enzymes (transporters; in particular, TonB-dependent transporters) and phosphate acquisition strategies were found, indicating that distinct populations of Bacteroidetes, Gammaproteobacteria, and Alphaproteobacteria are specialized for successive decomposition of algal-derived organic matter. Our results suggest that algal substrate availability provided a series of ecological niches in which specialized populations could bloom. This reveals how planktonic species, despite their seemingly homogeneous habitat, can evade extinction by direct competition.     

利用同源转基因技术培育氮高效利用转基因水稻

为了提高水稻对氮素的吸收利用率,培育不含任何标记基因、报告基因和载体骨架序列的转基因水稻,从硅藻中克隆了硝酸盐转运蛋白(Diatom Nitrate Transporter, NAT)基因,构建了3个植物表达载体：可使NAT在水稻中高效表达但无抗性筛选标记基因的植物表达载体pANW2300K-、带有负选择标记—大肠杆菌胞嘧啶脱氨酶CodA的正负筛选植物表达载体pCodA1301和植物表达载体pIpt121。明确Ipt基因可显著抑制转基因烟草的生长发育,但对水稻的影响较小;建立了以短暂选择和正负筛选为基础的水稻同源转基因技术;获得了 18 株有目标基因NAT,但不含任何筛选标记基因和载体的骨架序列的转基因水稻植株,转化率达27.7%;实现了同源转基因技术在水稻中的应用,这在国内尚属首例。     

娘子关泉域硅藻初步研究

娘子关泉域位于山西省平定县,地处太行山中段,是我国北方最大的冷水泉,有丰富的藻类资源。2002~2003年间对娘子关泉域的硅藻进行了4次采集,采集地点主要集中在滚泉、水帘洞泉、苇泽关泉、五龙泉和平阳湖,共采集硅藻植物标本27号。对娘子关泉域硅藻植物的区系组成、分布特点和季节性变化做了分析研究。通过对标本的鉴定和分析,共得硅藻118种,隶属6目10科25属。从娘子关泉域硅藻植物在各采集点的分布看,平阳湖硅藻种类最多,有78种,隶属9科20属,占总种数的66.1%;其次是滚泉,有55种,隶属9科13属,占总种数的46.6%;第三是苇泽关泉,有24种,隶属6科10属,占总种数的20.3%;第四是五龙泉,有23种,隶属8科11属,占总种数的19.5%;水帘洞泉最少,有21种,隶属7科13属,占总种数的17.8%。娘子关泉域硅藻植物在春季出现的最多,有116种;秋季次之,有47种;夏季有34种;冬季最少,仅4种。