海洋硅藻细胞表面物理化学特性与镉吸收动力学之关系

Diatoms contribute significantly to marine primary productivity, and their accumulation of cadmium (Cd) is close related to the biogeochemical cycle of carbon. Environmental factors like light, temperature, and nutrients can affect the diatom Cd, but how these factors influence the Cd uptake through changing the surface properties of diatoms are not fully understood. This study aims to determine the effects of environmental factors on surface roughness and potential of the diatoms, and tries to exam how these properties influence on the Cd uptake using atomic force microscope (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and non-invasive microtest technology (NMT). The major purpose of this study is to elucidate the relationship among the environmental factors, surface physicochemical properties, and Cd uptake kinetics in diatoms. This study will broaden our understanding of the biogeochemical behavior of Cd, and will clarify the adaptation mechanisms in diatoms under trace element limitation.

硅藻是海洋生态系统中主要的初级生产者。它们累积镉（Cd）的过程与碳等关键生源要素的生物地球化学循环密切相关。光照、温度、营养盐会改变硅藻的Cd含量，但我们尚未清楚这些环境因素如何通过改变硅藻细胞的表面物理化学特性来影响硅藻累积Cd的关键过程。本项目将借助多功能原子力显微镜（AFM）等先进表征手段定量研究环境因子对硅藻细胞的表面粗糙度的影响，分析细胞表面基团性质随表面粗糙度的变化，探索粗糙度-配体基团-电势之间的联系，并深入研究表面电势对硅藻细胞吸收Cd的影响。本研究将从机理上剖析环境因子、硅藻表面物理化学特性与Cd吸收动力学之关系。研究结果既有利于了解Cd的生物地球化学行为，又有利于厘清硅藻在营养盐限制条件下的适应性机制。

硅藻是海洋生态系统中主要的初级生产者，在全球碳循环中扮演重要角色。硅藻在镉(Cd)的生物地球化学循环中同样发挥了关键的作用。营养盐、盐度、pH、光照、温度等环境因子可改变Cd在硅藻中的累积，但其关键过程我们尚未清楚。我们培养了模式硅藻新月菱形藻(Nitzchia closterium)和三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)，施加了不同浓度的硅(Si)营养，以及不同盐度等处理，借助多功能原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、非损伤微测(NMT)等先进表征手段，定量研究了硅藻细胞的表面物理化学特性，利用电感耦合等离子质谱(ICP-MS)、荧光定量PCR等技术，调查了硅藻细胞吸收和转运镉的过程。我们讨论了环境因子对细胞表面粗糙度、杨氏模量、电势的影响，探索粗糙度-表面功能基团-电势之间的联系。进一步分析了环境因子对硅藻细胞吸收Cd和解除Cd毒性的影响。.本文的主要结论是：.1.在Si限制条件下，细胞壁上硅醇基团密度下降会导致硅藻的硅化程度降低，细胞壁的结构完整性遭受破坏。这会造成细胞壁力学性能和表面电负性的弱化，从而减弱细胞吸附Cd能力。.2.低盐度下生长的硅藻细胞比表面积更高，表面电势更低，并且细胞壁中含硫基团也更多，从而增强了细胞结合镉的能力。同时，当盐度下降时，硅质细胞壁的硅多以多聚硅酸的形式存在。说明硅含量和形态的变化也对细胞表面结合镉起到了重要的作用。.3.硅藻本身形态变化也会对其累积Cd产生重要的影响。卵形三角褐指藻细胞含有更多的羧基，并且能转运更多的Cd进入细胞内，进一步通过谷胱甘肽系统扣押细胞内的Cd，起到解毒的作用。显示出与三角褐指藻梭形和三角形细胞完全不同的累积Cd的策略。.本研究从微观层次揭示了不同环境条件下，硅藻细胞与Cd之间的相互作用，诠释了硅藻累积金属Cd的过程。结果有利于加深我们对环境因子-硅藻表面物化特性与硅藻吸收Cd过程之关系的了解，拓展我们对硅藻吸收利用痕量金属的认识。