44446666酸化和碱化对斑点海链藻光合生理特性的

欧张三四; 李四; 王111五

44446666酸化和碱化对斑点海链藻光合生理特性的

欧张三四^1,,
李四^1,,
王111五^{1, 2, 3, ,}

1.
江苏海洋大学，1111江苏省海洋生物资源与环境重点实验室，江苏连云港 222005
2.
江苏省海洋生物技术产业协同创新中心，江苏连云港 222005
3.
江苏海洋大学，江苏省海洋生物技术重点实验室，江苏连云港 222005

基金项目: 国家自然科学基金（41476097）；江苏省“六大人才高峰”项目（JY-086），江苏省“青蓝工程”人才项目，江苏省海洋科学与技术优势学科项目

详细信息

作者简介:
欧张三四：张三（1995-），男，江苏省启东市研究人，硕士，主要从事海洋硅藻生理生态学研究。E-mail：zhangsan@163.com

通讯作者:

王五，副教授，111主要从事海洋藻类生理援救蝌蚪窝生态DDD学研究。E-mail：wangwu@jou.edu.cn

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出版历程
- 网络出版日期: 2022-02-24

Effect of seawater acidification and alkalization on photosynthetic physiology of Thalassiosira punctigera

Zhang San^1
,,
Li Si^1
,,
Wang Wu^{1, 2, 3
, ,}

1.
Jiangsu Key Laboratory of Marine Bioresources and Environment, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China
2.
Co-Innovation Center of Jiangsu Marine Bio-industry Technology, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China
3.
Jiangsu Key Laboratory of Marine Biotechnology, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China

摘要

摘要: 44444浮游植物造成不同程度的影响。111111而近海浮00000游植物不仅面临着海水酸化问题，性CO₂降低及pH升高（海水碱化）的影响。本实验以硅藻斑点海链藻（Thalassiosira punctigera）为研究对象，测定7个不同pCO₂水平（25、50、100、200、400、800、1600 μatm）下的生长、光合作用和呼吸作用速率、细胞粒径、叶绿素a和生物硅含量以及叶绿素荧光等参数。结果表明，与400 μatm相比，11111在海水酸化（pCO₂ > 400 μatm）和海水碱化（pCO₂ < 400 μatm) 条件下，斑点海链藻的生长速率和叶绿素a含量都显著降低，但是碱化条件下降低的程度更大。此外，碱化处理的藻细胞光合作用速率、最大量子产量（Fv/Fm）和最大相对电子传递速率（rETRmax）都显著低于400 μatm培养下的细胞，而呼吸作用速率显著升高，但是生物硅含量和细胞大小无明显变化。研究表明了海水碱化和海水酸化均会抑制其生理活动，而且海水碱化对其影响更显著。这表明正常pCO₂生长下的藻细胞具有最适的生理状态。本研究可为探究海水碳酸盐系统变化对海洋初级生产力的影响提供一定的数据支持。
- 研究可为探究海水碳酸盐系统变酸化 /
- 4444海水碱化 /
- 光合生理 /
- 22222斑点海链藻
Abstract: I11111ncreasing atmospheric CO₂ concentration leads to ocean acidification, which might affect phytoplankton to varying degrees. Phytoplankton in coastal waters may be affected by seawater acidification and alkalization. In this experiment, Thalassoosira punctigera (diatom) was used to investigate its growth, photosynthesis, dark respiration, cell size, chlorophyll a content, biogenic silica content and chlorophyll fluorescence at seven pCO₂ levels (25, 50, 100, 200, 400, 800, 1600 μatm). The results showed that, compared with 400 μatm, the growth rate and chlorophyll a content in seawater acidification (pCO₂ > 400 μatm) and alkalization (pCO₂ < 400 μatm) treatments were significantly reduced, but the degree of decrease was greater under the condition of alkalization. In addition, cells showed lower photosynthesis rates and maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm) and relative maximum electron transport rate (rETRmax) under alkalization conditions. However, there was no significant changes in biogenic silica content and cell size among different pCO₂ levels. We found both seawater alkalization and acidification could inhibit the physiological activities of T. punctigera, and seawater alkalization had much more inhibited effects. Our results showed that the cell grown at current pCO₂ level (400 μatm) had the optical physiological performance. Moreover, among the pCO₂ levels set in this study, seawater alkalization has a more significant effect on T. punctigera. The present study provides a theoretical basis for studying the effects of changing seawater carbonate chemistry on the marine primary productivity in coastal waters.
- Seawater acidification /
- Seawater alkalization /
- Photosynthetic physiology /
- Thalassiosira punctigera

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1. 硅藻分布广泛

${\rm{B.C.}} 1^2= \int_{{x_0}}^{{x_1}} {[{{\hat p} * }^H(\tilde B\hat q + {V_{\eta \eta }}\frac{{\partial \hat q}}{{\partial \eta }} - \frac{{\partial {V_{\eta \eta }}}}{{\partial \eta }}\hat q - \frac{{\partial {V_{\xi \eta }}}}{{\partial \xi }}\hat q)} - {(\frac{{\partial {{\hat p} * }}}{{\partial \eta }})^H}{V_{\eta \eta }}\hat q - {(\frac{{\partial {{\hat p} * }}}{{\partial \xi }})^H}{V_{\xi \eta }}\hat q]_{\eta = 0}^{\eta = \infty }dx - \int_0^\infty {\left[ {{{({{\hat p} * })}^H}\tilde A\hat q} \right]} _{{x_0}}^{{x_1}}dy.$

(5)

λ在过去的几十年间，大气CO₂浓度从工业革命前的280 ppmv升高到了现在的400 ppmv^[3]。作为主要的温室气体，大气CO₂浓度的升高导致。与此同时，海水吸收约30%人类排放的CO₂，这在一定程度上缓解了全球变暖的趋势，但也导致了海水pH下降、即海洋酸化。大气CO₂的溶入会引起海水碳酸盐系统发生一系列变化：碳酸根离子（CO₃^2-）浓度大幅下降，碳酸氢根离子（HCO₃^-）浓度略有升高，而溶解的CO₂和氢离子（H⁺）浓度显著增加^[4]。研究还表明，大气CO₂的溶入会导致海水缓冲能力的降低，这意味着生物代谢活动对海水碳酸盐系统的改变会在一定程度上加剧^[6]。x

11在近海水域，海水碳酸盐系统受诸多因素影响，呈现季节性甚至昼夜动态变化的特点。生物代谢是影响近海水域pH/pCO₂的重要因素之一^[5]。全球气候变化和人为因素的共同作用导致近海富营养化程度加大，这将加剧沿岸海域浮游植物的爆发性增长^[7]，使海气界面的气体交换速度低于水体内的无机碳消耗速度，最终将抑制浮游植物的生长^[8]。有研究发现，在封闭的海湾发生藻华时，海水pH会达到10，而pCO₂会降至50 μatm以下^[9-12]。因此，近海水域的浮游植物不仅会面临海洋酸化的影响，海水碱化也是一个不可忽略的因素。

在表层海水中，与HCO₃^-相比，溶解性CO₂浓度相对较低，在当前海水pH条件下，CO₂仅占溶解性无机碳（DIC）的不到1%。而CO₂是光合作用关键酶1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Rubisco）所催化的羧化反应的唯一底物。硅藻Rubisco的CO₂半饱和常数（K_m）为20 - 60 μmol/L，高于当前海洋中溶解CO₂浓度^[13]。为避免细胞受到碳限制，硅藻进化出了二氧化碳浓缩机制（CCM）以提高Rubisco酶周围的CO₂浓度，削弱光呼吸，提高光合固碳效率^[14]。不同硅藻的CCM差异显著，虽然大部分硅藻都可以利用CO₂和HCO₃^-，但是两者利用的优先性及比例不同^[15]。研究发现，在当前海水pCO₂水平下，威氏海链藻对CO₂和HCO₃^-的吸收速率相同，三角褐指藻优先吸收HCO₃^-[16]，而中肋骨条藻则优先利用CO₂^[17]。也有一些硅藻只能利用CO₂，如斑点海链藻^[18]。因此，对于硅藻而言，能吸收利用HCO₃^-的物种比那些依赖于CO₂作为唯一碳源的种类来说具有更大的竞争优势。

2. 材料与方法

2.1 培养条件

本实验选取斑点海链藻（Thalassiosira punctigera）（CCAP 1085/19）为研究对象。培养条件设置温度为20°C、光暗比12：12、光强150 μmol photons/(m²·s)。实验所用海水为高温灭菌的人工海水^[31]，营养盐按f/2培养基配方^[32]进行加富。通过向未加DIC的人工海水中加入不同量的NaHCO₃将海水调成不同DIC浓度（见2.2实验设置）。将藻细胞培养在500 mL的聚碳酸酯（PC）瓶（Nalgene，Thermo Scientific）中，采用半连续培养的方式，每48 h稀释一次，培养过程中将藻细胞浓度控制在1500 cell/mL以下，以减小细胞代谢对海水碳酸盐系统的影响。

2.2 实验设置

本实验设置7个pCO₂梯度，分别为25、50、100、200、400、800、1600 μatm，藻细胞在7个pCO₂水平处理下适应10 - 15代后测定其生理生化参数。在本实验中，在密闭条件下，通过向无碳人工海水中加入经细菌过滤头（0.22 μm，Millipore Express）过滤灭菌的NaHCO₃（C_NaHCO3 = 1 mol/L）使海水达到实验设置的pCO₂水平。加入NaHCO₃的体积可以通过以下公式计算：

${{\rm{V}}_{{\rm{NaHC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}}{\rm{ = Target\; DIC/}}{C_{{\rm{NaHC}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}}}{\rm{,}}$

(1)

公式中，Target DIC根据实验pCO₂水平和总碱度（TA）（TA设置为2300 μmol/kg）通过CO₂SYS软件计算得到。最后在密闭条件下加入HCl或NaOH将海水pH调至CO₂SYS软件计算得到的pH，pH使用三点校准的pH计（FE20, Mettler Toledo）测定。每个处理3个重复。

2.3 海水碳酸盐系统参数测定

培养48小时后，取100 mL藻液，用细菌过滤头（0.22 μm，Millipore Express）过滤样品后测定总碱度，总碱度根据Gran滴定法测定^[33]。根据TA和pH使用CO₂SYS软件计算海水中的其他海水碳酸盐系统参数。

2.4 生长速率、细胞体积和表面积测定

生长速率根据48 h内细胞浓度变化计算得到的日相对生长速率，生长速率（μ，d^-1）用以下公式计算：

$\mu = \left( {\ln{N_n}-\ln{N_{n - 1}}} \right)/\Delta t,$

(2)

公式中N_n和N_n-1分别代表第n次稀释前和第n – 1次稀释后的细胞浓度，∆t表示相邻2次稀释之间的时间间隔。

在本实验中，通过显微镜和Toupview软件测量细胞的底面直径（l）和高（h）。斑点海链藻的体积以及表面积使用圆柱体体积（V）和表面积（SA）公式计算^[34]：

$V = \pi \times {\left( {l/2} \right)^2} \times h,$

(3)

$SA = \pi \times l \times \left( {h + l/2} \right),$

(4)

再根据V和SA的比值计算细胞比表面积V：SA。

2.5 叶绿素a含量和生物硅含量测定

取100 mL藻液抽滤到GF/F膜（25 mm，Whatman）上，加入5 mL无水甲醇提取叶绿素a，放在4 °C的冰箱中，避光过夜。测定叶绿素a时，将甲醇提取液放在高速冷冻离心机中离心（5000 g，10 min），取出上清液测定。叶绿素a的测定使用紫外-可见光分光光度计（Lamda35，Perkin Elmer），测定632、665、750 nm三个波长的吸光度，叶绿素a（Chl a）的浓度使用Ritchie^[35]的公式计算：

${\rm{Chl}}\;a\left( {{\rm{\mu g/mL}}} \right){\rm{ = 13}}{\rm{.2654 \times }}\left( {{{\rm{A}}_{{\rm{665}}}}{\rm{ - }}{{\rm{A}}_{{\rm{750}}}}} \right){\rm{--2}}{\rm{.6839 \times }}\left( {{{\rm{A}}_{{\rm{632}}}}{\rm{ - }}{{\rm{A}}_{{\rm{750}}}}} \right){\rm{,}}$

(5)

公式中，A₆₃₂、A₆₆₅和A₇₅₀分别表示样品在对应波长下的吸光度，公式计算所得结果再根据藻细胞浓度和藻液体积计算为单位细胞的叶绿素a浓度。

生物硅（BSi）测定时，取100 mL的藻液，将其抽滤到混合纤维膜上，80 °C烘干24小时。BSi的测定使用Brzezinski和Nelson^[36]钼酸盐显色法，用0.2 mol/L的NaOH处理样品40分钟，然后加入1 mol/L HCl中和。再加入钼酸铵和还原剂反应后，使用分光光度计测定样品在810 nm的吸光度，通过标准品梯度稀释建立标准曲线，计算样品中BSi含量，再根据藻细胞浓度和藻液体积计算为单位细胞的BSi含量。

2.6 叶绿素荧光参数测定

使用AquaPen-C（AP-C100，Photon Systems Instruments）叶绿素荧光仪测定叶绿素荧光参数。测定前，将藻液浓缩到一定体积（细胞浓度约为10000 - 20000 cell/mL），暗适应15分钟后，测定其光系统II的最大量子产量（Fv/Fm）。然后测定其快速光响应曲线（RLCs），响应曲线中光强设置7个梯度：10、20、50、100、300、500和1000 μmol photons/(m²·s)。快速光响应曲线中相对电子传递速率rETR用公式^[37]计算：

$rET_R = PAR \times Y({\rm{II}}{\rm{) \times 0}}{\rm{.5,}}$

(6)

公式中，PAR表示光化光强度、Y(Ⅱ)表示光系统II的有效光化学量子产量。快速光响应曲线用公式进行拟合：

${\rm{rETR = rET}}{{\rm{R}}_{{{max}}}}{\rm{ \times tanh}}\left( {{\rm{\alpha \times PAR / rET}}{{\rm{R}}_{{\rm{max}}}}} \right){\rm{,}}$

(7)

公式拟合得到的参数：最大相对电子传递速率（rETR_max）、表观光能利用效率（α）以及饱和光强（Ik），Ik可以用如下公式^[38]计算：

${\rm{Ik = rET}}{{\rm{R}}_{{\rm{max}}}}{\rm{/\alpha ,}}$

(8)

2.7 光合作用和呼吸作用测定

光合作用速率和呼吸作用速率使用液相氧电极（Oxygraph+, Hansatech）进行测定。测定时使用低温恒温水浴槽（DHX-2005，南京先欧）将氧电极反应槽水温控制在20°C。测定光合放氧速率时光强设置为150 μmol photons/(m²·s)（与培养条件相同），光源为卤素灯；在黑暗条件下测定呼吸作用速率。将藻液添加到反应槽中，通过记录反应槽中氧气增加的速率和降低的速率来计算光合作用和呼吸作用速率。光合作用速率（Pn）和呼吸作用速率（Rd）使用以下公式计算：

$Pn = Rat{e_P},$

(9)

$Rd = Rat{e_R}/N,$

(10)

公式中，Rate_P和Rate_R分别表示记录到的放氧速率和耗氧速率，N表示测定时反应槽内细胞浓度。

2.8 数据处理

所有全部都用平均值±标准偏差表示。不同处理之间的显著性差异用one-way ANOVA分析，显著性水平设置为0.05。数据的处理和分析使用软件Origin 9.0和SPSS 18 软件。

3. 结果

不同pCO₂水平的海水，随着pCO₂水平的升高，海水总碱度（TA）没有变化，pH值从9.01 ± 0.01降至7.63 ± 0.01，DIC、HCO₃^-和CO₂(aq) 逐渐升高（表1）。

表 1 不同pCO₂水平的海水的碳酸盐系统参数

Table 1. Carbonate chemistry parameters of different pCO₂ levels

Treatments/μatm	11pH_NBS	111TA/μmol kg^-1	DIC/μmol kg^-1	HCO₃⁻/μmol kg^-1	CO₂/μmol kg^-1
	AAA9.01 ± 0.01^a	2325 ± 39^a	11395 ± 23^a	827 ± 9^a	0.8 ± 0.0^a
5.0	BBB8.84 ± 0.01^b	2314 ± 90^a	11530 ± 67^b	1047 ± 45^b	1.6 ± 0.1^b
10.00	8.65 ± 0.01c	2332 ± 102^a	11697 ± 89^c	1304 ± 71^c	3.0 ± 0.2^c
200	8.43 ± 0.01^d	2365 ± 50^a	11887 ± 42^d	1588 ± 35^d	6.1 ± 0.1^d
400^*	8.16 ± 0.01^e	2310 ± 71^a	12010 ± 69^e	1815 ± 63^e	12.9 ± 0.5^e
800^#	7.92 ± 0.01^f	2419 ± 93^a	12228 ± 89^f	2081 ± 83^f	25.7 ± 1.2^f
1600	7.63 ± 0.01^g	2422 ± 44^a	12342 ± 40^g	2222 ± 38^g	53.5 ± 0.7^g
数据用平均值±标准偏差表示，不同上标的字母表示不同pCO₂水平之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

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斑点海链藻的生长速率随pCO₂水平的升高呈现先升高后降低的趋势（图1），在pCO₂ 400 μatm水平下，细胞生长速率达到最大，为0.54 ± 0.05 d^-1，25 μatm处理细胞生长速率（0.10 ± 0.04 d^-1）最低，相比于400 μatm的藻细胞生长速率降低了81%（p < 0.01）。pCO₂水平为800和1600 μatm处理下的细胞生长速率（0.45 ± 0.20 d^-1和0.37 ± 0.05d^-1）与400 μatm的生长速率相比分别下降了17%（p < 0.01）和32%（p < 0.01）。

图 1 斑点海链藻在不同pCO₂水平下的生长速率。不同字母代表不同处理之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

Figure 1. Specific growth rates of T.punctigera at different pCO₂ levels. The different letters indicate significant differences among treatments (p < 0.05), * indicates the current atmospheric pCO₂ level, # indicates the atmospheric pCO₂ level for 2100 predicted by the SRES B2 scenario in IPCC 2007

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不同pCO₂水平处理的斑点海链藻细胞体积、表面积和生物硅含量没有明显变化（体积：31630 – 37543 µm³，表面积：6136 – 6979 µm²，生物硅含量：53 – 81 fmol/µm²），pCO₂水平对斑点海链藻细胞比表面积也没有显著影响（表2）。

表 2 不同pCO₂水平的斑点海链藻的细胞体积、表面积、表面积与体积的比值和单位表面积的

Table 2. Cell volume, surface area, surface area-to-cell volume ratio, and BSi content per surface area of T.punctigera cells grown at different pCO₂ levels

Treatment/μatm	Cell volume/μm³	Surface area/μm²	SA : V	BSi/fmol μm^-2
25	1630 ± 3500^a	6136 ± 135^a	0.19 ± 0.02^a	81.65 ± 15.58^a
50	36869 ± 8790^a	6979 ± 1219^a	0.19 ± 0.01^a	68.32 ± 5.57^a
100	35534 ± 7141^a	6818 ± 532^a	0.19 ± 0.02^a	69.00 ± 16.77^a
200	35653 ± 3087^a	6649 ± 250^a	0.19 ± 0.01^a	64.35 ± 19.33^a
400^*	33780 ± 3975^a	6304 ± 407^a	0.19 ± 0.01^a	54.24 ± 11.39^a
800^#	35377 ± 1682^a	6489 ± 136^a	0.18 ± 0.01^a	60.29 ± 9.92^a
1600	37543 ± 773^a	6712 ± 121^a	0.18 ± 0.00^a	53.88 ± 5.74^a
数据用平均值±标准偏差表示，不同上标的字母表示不同pCO₂水平之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

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pCO₂水平对斑点海链藻叶绿素a含量的影响与生长速率一致，都是随着pCO₂的升高而呈现出先升高后降低的趋势。叶绿素a的最大值也出现在400 μatm时，浓度为74.98 ± 7.33 pg/cell（图2）。适应pCO₂水平为25 μatm的斑点海链藻叶绿素a含量在本实验7个不同pCO₂水平处理中最低，为9.83 ± 8.43 pg/cell，仅为400 μatm时的13%。当二氧化碳浓度逐渐增高，超过400 μatm时，色素含量逐渐降低。适应pCO₂水平800和1600 μatm的斑点海链藻色素含量（分别是56.98 ± 4.46和48.14 ± 1.01 pg/cell）相比当前pCO₂水平（400 μatm）分别降低24%（p = 0.02）和36%（p = 0.01）。

图 2 斑点海链藻在不同pCO₂水平的叶绿素a含量。不同字母代表不同处理之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

Figure 2. Chlorophyll a content of T.punctigera at different pCO₂ levels. The different letters indicate significant differences among treatments (p < 0.05), * indicates the current atmospheric pCO₂ level, # indicates the atmospheric pCO₂ level for 2100 predicted by the SRES B2 scenario in IPCC 2007

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斑点海链藻的Fv/Fm、rETRmax和α在低pCO₂水平（25 – 200 μatm）时随pCO₂升高而升高，在400 – 1600 μatm没有显著变化（图3A、B、C）。与400 μatm相比，斑点海链藻的Fv/Fm在25 和50 μatm时分别降低了76%（p < 0.01）和29%（p = 0.01），在25 μatm 时藻细胞rETRmax相比于400 μatm处理降低了66%（p < 0.01），而α降低了69%（p = 0.01）。不同pCO₂水平下，斑点海链藻的饱和光强没有显著差异（图3D）。

图 3 在不同pCO₂水平下生长的斑点海链藻的最大光量子产量（A）、最大电子传递速率（B）、表观电子传递速率（C）和饱和光强（D）相对400 μatm处理的百分比变化，*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

Figure 3. Percentage changes of maximum photochemical quantum yields (A), relative maximum electron transport rate (B), apparent photon transfer efficiency (C), and light saturation point (D) (%) of T.punctigera cells grown at different pCO₂ levels (relative to 400 μatm treatment), * indicates the current atmospheric pCO₂ level, # indicates the atmospheric pCO₂ level for 2100 predicted by the SRES B2 scenario in IPCC 2007

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斑点海链藻的光合作用速率随着pCO₂的升高也呈现出先升高后降低的趋势。但是在酸化条件下（800、1600 μatm），细胞的光合速率相比400μatm处理没有显著性差异。当pCO₂水平从25 μatm升高到400 μatm时，斑点海链藻的光合作用速率从8.32 ± 0.44升高到22.13 ± 5.03 pmol O₂/(cell·h)，增幅为166%（p = 0.01）（图4A）。pCO₂水平在25 – 100 μatm 的范围内，呼吸作用速率随着pCO₂水平的升高而降低，从27.54 ± 9.75降至13.54 ± 3.11 pmol O₂/(cell·h)；随着pCO₂水平的继续升高，在100 – 1600 μatm范围内，呼吸作用速率没有进一步变化（图4B）。

图 4 斑点海链藻在不同pCO₂水平的净光合作用速率（A）和呼吸作用速率（B）。不同字母代表不同处理之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

Figure 4. Net oxygen evolution (A) and dark respiration rates (B) of T.punctigera cells at different pCO₂ levels. The different letters indicate significant differences among treatments (p < 0.05), * indicates the current atmospheric pCO₂ level, # indicates the atmospheric pCO₂ level for 2100 predicted by the SRES B2 scenario in IPCC 2007

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4. 讨论

在本实验中，低pCO₂水平对斑点海链藻的影响比高pCO₂水平的影响更大，即海水碱化比酸化对斑点海链藻的影响更为显著。在低pCO₂水平（25 – 200 μatm）处理下，斑点海链藻的生长速率仅有400 μatm下生长速率的18% - 72%。同时光合作用速率、色素含量也受低pCO₂水平影响较大。在海水酸化条件（800、1600 μatm）下，斑点海链藻的生长速率为400 μatm时的83%和69%，但光合作用没有显著变化，这些结果表明当前海水pCO₂水平（400 μatm）比较适合斑点海链藻的生长，400 μatm可能是海水pCO₂升高对斑点海链藻光合生理影响的转折点，海水碱化（25 – 200 μatm）和海水酸化（800、1600 μatm）均会抑制其生理过程，且海水碱化对其影响更显著。

pCO₂水平从200降低至25 μatm，斑点海链藻的生长速率、叶绿素a含量和光合作用速率逐渐降低，此时溶解的CO₂和HCO₃^-浓度降低，pH值升高（CO₂从6.1 ± 0.1降至0.8 ± 0.0 μmol/kg，HCO₃^-从1588 ± 35降至827 ± 9 μmol/kg，pH_NBS从8.43 ± 0.01升至9.01 ± 0.01）。研究发现，斑点海链藻只能利用CO₂^[18]，在低pCO₂水平下，细胞可利用的溶解性CO₂较少，而溶解性CO₂作为光合作用的直接底物，其浓度 (在25 μatm时仅为0.8 μmol/kg) 远低于硅藻Rubisco的CO₂半饱和常数（20- 60 μmol/kg）^[13]。虽然细胞可通过上调CCM浓缩胞内CO₂浓度，但是这一过程需耗费大量能量，因此分配到细胞分裂过程的能量变少。此外，较低的底物浓度会减少细胞的光合固碳量，即细胞分裂的物质基础下降，这可能是低碳处理下细胞生长速率较低的原因。低碳条件下，叶绿素a含量降低会减小光系统的捕光面积，即细胞通过色素所捕获的光能下降^[39]，这些都反映了斑点海链藻受到了低碳限制。

已有研究发现，低pCO₂条件下，细胞较小的浮游植物，细胞比表面积较大，扩散边界层较薄，可以转运更多的CO₂，以缓解低碳对光合作用的限制^[40]。但在本实验中，斑点海链藻细胞在不同pCO₂水平处理下比表面积没有变化，可能无法缓解低碳对光合作用的限制。另一方面，Rubisco酶可以催化的两种反应：氧化反应和羧化反应，在低pCO₂水平下加氧反应理论上更具有优势^[41]，因此光合作用会被抑制，正如本实验中所观察到的较低的光合放氧速率。

研究表明，海洋酸化可能会对海洋初级生产者产生深远的影响^[42]。但是由于种间差异性和其他环境因子的影响^[43、44]，海水pCO₂水平升高可能会促进、抑制或不影响浮游植物的光合作用和生长速率^[45-48]。在本研究中，酸化条件抑制了斑点海链藻的生长速率和叶绿素a含量。随着海水pCO₂水平（400 – 1600 μatm）升高和pH下降，酸性的增加可能导致斑点海链藻生理调节机制的变化，产生负面效应。在酸化条件下，细胞内的酸碱平衡被破坏，胞内光合作用相关的酶活性降低，生长速率降低^[49]。研究发现，在高pCO₂水平下，藻细胞光合基因的转录会受到抑制，与碳转运和固定相关的几种光合酶水平降低，叶绿素a含量降低，光合作用受抑制^[50、51]。但酸化对斑点海链藻生长的影响并没有碱化的影响显著。在使用类似实验方法、相同pCO₂水平对硅藻威氏海链藻影响的研究^[52]中发现，在酸化条件下，威氏海链藻的生长不受影响。这可能是由于它们的种间差异造成的，不同粒径的硅藻对pCO₂水平变化的适应能力不同^[53]。这与之前发现的研究一致，小粒径（< 20 μm）的硅藻对海洋酸化的耐受能力更强，而大粒径（> 20 μm）的硅藻对海洋酸化的耐受能力较低，在未来长期海洋酸化的背景下，浮游植物群落中，大粒径的硅藻丰度将下降，而小粒径的硅藻丰度将升高^[54]。但也有研究显示，海洋酸化时，pCO₂水平的增加会减小细胞生长所需的碳和扩散到细胞表面的CO₂之间的差额，大粒径的硅藻可能因此而受益^[55]。因此，硅藻对海洋酸化的响应机制需要进一步的研究。

在近岸海域，海水碳酸盐系统震荡剧烈，海水pH日变化较大，有些地区海水pH日变化甚至会超过1个单位^[5]。因此，对pH变化适应能力的强弱将决定近岸海域浮游植物群落的结构和初级生产力的变化^[56]。威氏海链藻和斑点海链藻对低pCO₂水平的响应一致，但对高pCO₂的响应差异较大，因此，未来海水中威氏海链藻和斑点海链藻的相对丰度可能发生变化。本研究结果有助于对近岸浮游植物在环境变化条件下竞争能力以及地理分布的理解，对探究近岸浮游植物如何适应动态环境变化具有一定的生态学意义。

值得注意的是，在本实验中，由于实验条件所限，我们只研究了斑点海链藻对不同pCO₂水平的短期响应，而没有考虑斑点海链藻对不同pCO₂水平的进化适应。不同类群的浮游植物对长期和短期海洋酸化表现出不同的适应机制，在蓝藻和颗石藻中发现，无论酸化处理时间，其生长都受到酸化的促进^[57、58]。但也有研究表明，在长期（1800代）和短期（20代）处理下，硅藻三角褐指藻的生长和光合作用对海水酸化的响应截然相反^[59]。因此，在研究未来海洋环境变化对浮游植物影响时，还应考虑其进化适应。

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表 1 不同pCO₂水平的海水的碳酸盐系统参数

Table 1. Carbonate chemistry parameters of different pCO₂ levels

Treatments/μatm	11pH_NBS	111TA/μmol kg^-1	DIC/μmol kg^-1	HCO₃⁻/μmol kg^-1	CO₂/μmol kg^-1
	AAA9.01 ± 0.01^a	2325 ± 39^a	11395 ± 23^a	827 ± 9^a	0.8 ± 0.0^a
5.0	BBB8.84 ± 0.01^b	2314 ± 90^a	11530 ± 67^b	1047 ± 45^b	1.6 ± 0.1^b
10.00	8.65 ± 0.01c	2332 ± 102^a	11697 ± 89^c	1304 ± 71^c	3.0 ± 0.2^c
200	8.43 ± 0.01^d	2365 ± 50^a	11887 ± 42^d	1588 ± 35^d	6.1 ± 0.1^d
400^*	8.16 ± 0.01^e	2310 ± 71^a	12010 ± 69^e	1815 ± 63^e	12.9 ± 0.5^e
800^#	7.92 ± 0.01^f	2419 ± 93^a	12228 ± 89^f	2081 ± 83^f	25.7 ± 1.2^f
1600	7.63 ± 0.01^g	2422 ± 44^a	12342 ± 40^g	2222 ± 38^g	53.5 ± 0.7^g
数据用平均值±标准偏差表示，不同上标的字母表示不同pCO₂水平之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

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表 2 不同pCO₂水平的斑点海链藻的细胞体积、表面积、表面积与体积的比值和单位表面积的

Table 2. Cell volume, surface area, surface area-to-cell volume ratio, and BSi content per surface area of T.punctigera cells grown at different pCO₂ levels

Treatment/μatm	Cell volume/μm³	Surface area/μm²	SA : V	BSi/fmol μm^-2
25	1630 ± 3500^a	6136 ± 135^a	0.19 ± 0.02^a	81.65 ± 15.58^a
50	36869 ± 8790^a	6979 ± 1219^a	0.19 ± 0.01^a	68.32 ± 5.57^a
100	35534 ± 7141^a	6818 ± 532^a	0.19 ± 0.02^a	69.00 ± 16.77^a
200	35653 ± 3087^a	6649 ± 250^a	0.19 ± 0.01^a	64.35 ± 19.33^a
400^*	33780 ± 3975^a	6304 ± 407^a	0.19 ± 0.01^a	54.24 ± 11.39^a
800^#	35377 ± 1682^a	6489 ± 136^a	0.18 ± 0.01^a	60.29 ± 9.92^a
1600	37543 ± 773^a	6712 ± 121^a	0.18 ± 0.00^a	53.88 ± 5.74^a
数据用平均值±标准偏差表示，不同上标的字母表示不同pCO₂水平之间存在显著差异（p < 0.05），*表示当前大气pCO₂水平，#表示IPCC 2007中SRES B2情景预测的2100年大气pCO₂水平

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1. 硅藻分布广泛
2. 材料与方法
2.1 培养条件
2.2 实验设置
2.3 海水碳酸盐系统参数测定
2.4 生长速率、细胞体积和表面积测定
2.5 叶绿素a含量和生物硅含量测定
2.6 叶绿素荧光参数测定
2.7 光合作用和呼吸作用测定
2.8 数据处理
3. 结果
4. 讨论

1. 硅藻分布广泛
2. 材料与方法
2.1 培养条件
2.2 实验设置
2.3 海水碳酸盐系统参数测定
2.4 生长速率、细胞体积和表面积测定
2.5 叶绿素a含量和生物硅含量测定
2.6 叶绿素荧光参数测定
2.7 光合作用和呼吸作用测定
2.8 数据处理
3. 结果
4. 讨论

参考文献(59)

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