大西洋马尾藻泛滥成灾之谜已破解：蓝藻与藻类的共生关系带来额外磷供应

今年6月初，约3800万吨马尾藻漂向加勒比海岛屿、墨西哥湾和南美洲北部沿岸，创下历史新高。在夏季，这些褐藻经常堆积在海岸线上，腐烂后散发出强烈气味。这种藻类堆积不仅打击了旅游业，还威胁着沿海生态系统。不过在开阔水域，漂浮的马尾藻是许多海洋生物的重要食物来源和栖息地。

马尾藻原产于佛罗里达州以东的马尾藻海。自2011年以来，科学家反复记录到"大西洋马尾藻带"的形成——这是一条庞大的海藻带，在盛行东风的作用下从赤道漂向加勒比海。

直到最近，支撑藻类快速生长的磷(P)和氮(N)来源一直不明。许多研究人员怀疑是农业或雨林砍伐造成的营养物流失，但仅凭这些因素无法解释近年来马尾藻生物量的急剧上升。

马克斯·普朗克化学研究所主导的一项新研究确定了导致这些大规模藻华的主要机制，以及有利于其发生的气候条件。这一发现使科学家能够设计预测系统，预报未来的马尾藻搁浅事件。

藻类表面生长的蓝藻提供额外氮源

在最新一期《自然·地球科学》杂志上，来自美因茨的研究人员描述了赤道附近强劲的风驱上涌如何将富含磷的深层海水带到表层，并将其向北输送到加勒比海。磷供应的增加促进了生活在马尾藻表面的蓝藻生长。

这些微生物能够捕获大气中的氮气(N₂)并将其转化为藻类可利用的形式——这一过程称为固氮作用。蓝藻与藻类形成共生关系，提供额外的氮源来促进其生长。研究表明，这种合作关系使马尾藻在赤道大西洋获得了相对于其他藻类的竞争优势，有助于解释其生物量近期的增长。

珊瑚岩芯中的氮同位素揭示了过去120年的固氮速率

研究人员通过分析来自加勒比海不同地点的珊瑚岩芯，确定了藻华、固氮增加和富含营养的冷深层海水上涌之间的联系。珊瑚是重建海洋过去变化的重要档案，因为它们在生长过程中会将水体的化学特征纳入钙质骨骼中。通过分析类似于树木年轮的珊瑚年生长层，研究人员可以揭示过去几个世纪海洋化学组成的变化。

在这项研究中，马克斯·普朗克研究人员分析了珊瑚的氮同位素组成，重建了过去120年海洋微生物固定的氮量。在固氮过程中，细菌降低了海洋中稳定氮同位素¹⁵N与¹⁴N的比率。因此，珊瑚层中分析出的低¹⁵N/¹⁴N比率表明当时固氮速率较高。研究船欧根·塞博尔德号采集的海水样本用于校准现代珊瑚的氮同位素组成，证明它们记录了固氮作用。

自2011年以来，藻类生长与固氮作用一直保持耦合

该研究的第一作者、马克斯·普朗克化学研究所博士生乔纳森·容格解释说:"在第一组测量中，我们注意到2015年和2018年固氮作用出现两次显著增加，这两年正是马尾藻创纪录爆发的年份。因此我们将珊瑚重建数据与年度马尾藻生物量数据进行比较，两组记录完美吻合!但当时还完全不清楚是否存在因果关系。"

在检查两组测量数据后，研究人员发现了联系。结果表明，自2011年以来，不仅是最大值，藻类生长和固氮作用的整个数据序列(包括最小值)一直保持耦合。这个时间点很重要，因为2010年，强风首次将褐藻从马尾藻海带到热带大西洋。

研究团队通过排除其他可能性，得出磷过量是马尾藻爆发的关键因素。此前一种理论认为，经常从非洲吹向大西洋的富铁撒哈拉沙尘促进了藻类生长。然而，沙尘输入与生物量不相关。同样，亚马逊河或奥里诺科河的营养物输入也与观测到的马尾藻爆发不相关。

新机制可用于改进对未来马尾藻爆发的预测

因此，研究人员在论文中描述了一种机制:来自上涌深层海水的磷和来自固氮作用的氮驱动了过去几十年观测到的藻华。地球化学家容格补充说:"我们的机制比以往任何方法都更好地解释了马尾藻生长的变异性。但关于其他因素是否以及在多大程度上也发挥作用，仍存在不确定性。"

磷的供应源于热带北大西洋较冷的海表温度和南大西洋较暖的温度。这些温度变化导致气压变化，引发风异常，使表层海水移位，允许富含磷的深海海水流入。

美因茨研究人员认为，观测赤道大西洋的风、海温以及由此产生的上涌变化，可以改进对马尾藻生长的预测。马克斯·普朗克化学研究所小组负责人、该研究的资深作者阿尔弗雷多·马丁内斯-加西亚解释说:"最终，热带大西洋马尾藻的未来将取决于全球变暖如何影响驱动赤道大西洋过量磷供应的过程。"

他的团队计划通过测量加勒比海不同地点的新珊瑚记录，提供这些过程的更详细视图。研究人员预计，这些新发现可以指导减轻藻华对加勒比珊瑚礁生态系统和沿海社区影响的努力。

编译自/ScitechDaily