Effects of temperature on the behaviour and metabolism of an intertidal foraminifera and consequences for benthic ecosystem functioning  

溫度對潮間帶有孔蟲的行為和代謝的影響及其對底棲生態系統功能的后果  

來源：Scientific Reports, Volume 11, Article number: 4013, 2021

《科學報告》，第11卷，文章編號：4013，2021年

 

摘要

討論了海洋熱浪加劇對潮間帶物種的影響，聚焦于溫帶優勢有孔蟲Haynesina germanica的行為和代謝響應。研究通過實驗暴露個體于常規溫度（6-30°C）和極端高溫（32-36°C）下，發現高溫顯著降低其活動性（活動指數下降80%）、減少沉積物再加工（從10 mm3/個體/天降至0），并抑制光合作用；恢復實驗顯示部分行為可恢復，但代謝影響持久。結論是熱浪可能長期損害潮間帶泥質生態系統的功能，特別是沉積物混合和有機質礦化等關鍵生物地球化學循環。  

 

研究目的

旨在：(i) 實驗描述Haynesina germanica在常規溫度（6-30°C）下運動行為和代謝率的響應；(ii) 表征極端高溫熱浪（32-36°C）的影響；(iii) 評估物種在暴露于極端溫度（6°C和36°C）后的恢復能力，并討論這些響應對底棲生態系統功能的潛在后果。  

 

研究思路

包括：(1) 樣本采集：從法國英吉利海峽潮間帶泥灘收集H. germanica活體樣本；(2) 溫度梯度實驗：在可控培養箱中設置溫度梯度（6-36°C），進行運動行為實驗（使用延時攝影跟蹤個體軌跡24小時）和代謝實驗（測量氧消耗和光合作用）；(3) 恢復實驗：將暴露于6°C和36°C的個體轉移至18°C，監測24小時恢復行為；(4) 數據分析：量化活動指數、距離、速度、分形維度、垂直位置、沉積物再加工率及氧通量，結合統計方法（Kruskal-Wallis、ANOVA）評估溫度效應。  

 

測量的數據及研究意義

1. 運動行為數據：包括活動指數（時間分配）、距離（24小時內總位移）、速度、分形維度（軌跡復雜度）和垂直位置（在沉積物中的深度類別）。這些數據來自Figure 2和Figure 3。研究意義是量化溫度如何影響有孔蟲的運動效率和覓食策略，揭示其在熱浪下行為可塑性，幫助理解物種在潮間帶環境中的適應機制，并為生態系統過程（如沉積物混合）提供行為基礎。  

 

 

 

2. 沉積物再加工率數據：計算個體表面沉積物再加工率（SSRRi），基于個體大小和運動距離。這些數據來自Figure 6。研究意義是評估有孔蟲對沉積物物理混合的貢獻，闡明熱浪如何通過減少生物擾動影響底棲生態系統的物質循環（如有機質降解和養分通量），為氣候變化下生物地球化學模型提供關鍵參數。  

 

3. 代謝率數據：包括氧消耗（呼吸速率）和光合作用（凈光合和總光合速率），使用Unisense微電極測量。這些數據來自Figure 5。研究意義是量化溫度對能量代謝的影響，揭示光合效率下降如何導致氧氣預算負值，解釋熱浪下物種生理壓力，并鏈接至生態系統尺度的氧氣通量和碳循環擾動。  

 

4. 恢復實驗數據：包括暴露于極端溫度后轉移到18°C時的速度變化。這些數據來自Figure 4。研究意義是評估物種對熱浪的恢復潛力，顯示高溫暴露導致持久行為損傷（如速度未完全恢復），為預測氣候變化下物種恢復力和生態系統韌性提供依據。  

 

5. 氧氣預算數據：計算每日氧氣平衡（基于光合和呼吸速率），考慮光照暴露時間（6小時和12小時）。這些數據來自Figure 7。研究意義是量化有孔蟲在生態系統中的凈氧氣貢獻，顯示熱浪下氧氣生產轉為負值，凸顯其對底棲缺氧環境的潛在惡化作用。  

 

 

結論  

1. 行為響應：在常規溫度（6-30°C）下，H. germanica保持高活動性（>90%時間移動），速度峰值在24°C（1.74 mm/h）；極端高溫（>32°C）導致活動驟降（<15%），個體迅速鉆入沉積物并停止運動，軌跡復雜度（分形維度）顯著增加至30°C但無法測量于32-36°C。  

2. 代謝響應：呼吸和光合速率在18-24°C達到峰值，高溫（>24°C）導致光合效率劇降（Q10=0.32），恢復實驗顯示36°C暴露后運動部分恢復但速度減半（0.57 vs. 1.7 mm/h），表明熱損傷部分不可逆。  

3. 生態系統功能影響：沉積物再加工率在24°C最高（10.1 mm3/個體/天），但在>32°C降至零；氧氣預算在熱浪下轉為負值，表明物種對沉積物混合和碳循環的貢獻被削弱。  

4. 熱浪后果：熱浪通過抑制行為和代謝，可能長期損害潮間帶泥灘的生態系統功能，如有機質礦化和生物地球化學循環，尤其在高頻熱浪事件下物種恢復力不足可能放大這些效應。  

 

使用丹麥unisense電極測量數據的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極（Clark型氧微電極）測量的數據包括氧消耗和光合作用梯度，通過高分辨率（50 μm）垂直剖面測量沉積物微環境中的氧氣通量。研究意義在于：(1) 提供微觀尺度代謝量化：電極能在毫米級沉積物層中精確測量dC/dz（氧氣梯度），結合Fick擴散定律計算氧通量（J = D × dC/dz），這克服了傳統批量方法的分辨率局限，直接關聯個體行為（如垂直位置）與代謝變化；(2) 揭示溫度敏感閾值：數據顯示呼吸速率在24°C達峰（55.7 pmol O?/個體/h），而光合速率在>24°C劇降（Q10=0.32），證實高溫優先抑制光合作用，導致凈氧氣生產轉負，這對理解共生葉綠體在熱脅迫下的失效機制至關重要；(3) 支持生態系統建模：通過整合光暗循環數據（如12小時光照下的日氧氣預算），量化了物種對底棲氧氣通量的凈貢獻（常為負值），為預測熱浪下沉積物缺氧和碳循環擾動提供生理基礎；(4) 方法學優勢：電極校準（兩點校準法）和擴散系數溫度校正確保了數據可靠性，使結果可直接比較全球潮間帶研究，如先前對類似物種（Ammonia tepida）的代謝分析?？傮w而言，Unisense電極數據強化了從個體生理到生態系統功能的跨尺度鏈接，凸顯其在氣候變化生態毒理學中的關鍵作用。