Elevated CO2 accelerated the bloom of three Ulva species after one life cycle culture

升高的 CO2 加速了 3 種石莼物種在一次生命周期培養(yǎng)后的開花

來源：Journal of Applied Phycology · August 2021

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探究了大氣CO?濃度升高（400 ppm vs. 1000 ppm vs. 2000 ppm）對(duì)三種石莼屬海藻（Ulva prolifera、U. linza、U. compressa）的生理影響：

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

 

生長加速：CO?升高顯著提高三種石莼的相對(duì)生長速率（RGR），最高增幅達(dá)39.32%·d?1（U. compressa，2000 ppm）（圖1）。

 

 

光合與呼吸增強(qiáng)：光合O?釋放速率和呼吸速率均隨CO?升高而增加（圖4a,b），但光合系統(tǒng)II（PSII）量子產(chǎn)率（Y II）和電子傳遞率（ETR II）下降（圖4）。

 

營養(yǎng)吸收提升：硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因（NRT）表達(dá)、硝酸鹽吸收速率（NUR）和硝酸鹽還原酶活性（NRA）均顯著升高（圖5）。

 

機(jī)制：CO?升高通過增強(qiáng)光合效率、降低維持外部pH的能量消耗，以及促進(jìn)硝酸鹽代謝基因表達(dá)，加速石莼增殖，可能加劇綠潮暴發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

 

2. 研究目的

 

預(yù)測(cè)海洋酸化影響：評(píng)估CO?濃度升高（模擬2100年1000 ppm和2300年2000 ppm場(chǎng)景）對(duì)石莼屬海藻生理功能的長期效應(yīng)。

 

揭示綠潮暴發(fā)機(jī)制：探究CO?升高如何通過調(diào)節(jié)光合、呼吸和營養(yǎng)吸收促進(jìn)石莼增殖。

 

填補(bǔ)研究空白：聚焦成熟個(gè)體對(duì)長期CO?刺激的響應(yīng)（以往研究多關(guān)注幼體階段）。

 

3. 研究思路

 

樣本與培養(yǎng)：

 

采集青島潮間帶的三種石莼（U. prolifera、U. linza、U. compressa），在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)6周至成熟個(gè)體。

 

設(shè)置三組CO?濃度：400 ppm（當(dāng)前）、1000 ppm（2100年預(yù)測(cè)）、2000 ppm（2300年預(yù)測(cè)）。

 

指標(biāo)測(cè)量：

 

碳酸鹽系統(tǒng)參數(shù)：pH、pCO?、總堿度（TA）、溶解無機(jī)碳（DIC）等（表1）。

 

生長與生物量：相對(duì)生長速率（RGR）（圖1）。

 

光合生理：葉綠素含量（圖3）、光合O?釋放與呼吸速率（Unisense電極測(cè)量）（圖4a,b）、PSII量子產(chǎn)率（圖4）。

 

 

營養(yǎng)代謝：硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因（NRT）表達(dá)、硝酸鹽吸收速率（NUR）、硝酸鹽還原酶活性（NRA）（圖5）。

 

元素組成：組織碳（C）、氮（N）含量及C/N比（表3）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 生長與生物量（圖1）

 

數(shù)據(jù)：所有物種的RGR隨CO?升高顯著增加（U. compressa在2000 ppm時(shí)RGR達(dá)39.32%·d?1）。

 

意義：證實(shí)CO?升高直接促進(jìn)石莼增殖，為綠潮暴發(fā)提供生理學(xué)依據(jù)。

 

(2) 光合與呼吸（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

光合O?釋放速率和呼吸速率隨CO?升高而增加（圖4a,b）。

 

PSII量子產(chǎn)率（Y II）和電子傳遞率（ETR II）下降（圖4）。

 

意義：高CO?下石莼通過提升光合碳固定效率和呼吸代謝適應(yīng)酸化環(huán)境，但光化學(xué)效率降低反映潛在光抑制。

 

(3) 營養(yǎng)吸收與代謝（圖5）

 

數(shù)據(jù)：NRT基因表達(dá)、NUR和NRA在2000 ppm時(shí)達(dá)峰值（如U. linza的NUR為280.08 μmol·g?1FW·h?1）。

 

意義：CO?升高通過上調(diào)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因和酶活性，增強(qiáng)氮利用效率，支持快速生長。

 

(4) 元素組成（表3）

 

數(shù)據(jù)：組織氮含量顯著增加（如U. prolifera從3.63%升至4.38%），C/N比下降（如U. linza從7.10降至6.32）。

 

意義：反映高CO?下石莼的氮同化能力增強(qiáng)，可能提升其作為生物修復(fù)工具的潛力（如富營養(yǎng)化水體凈化）。

 

(5) 色素含量（圖3）

 

數(shù)據(jù)：葉綠素a和b含量隨CO?升高顯著下降（如U. linzaChl a從2.26降至1.70 mg·g?1FW）。

 

意義：體現(xiàn)"色素經(jīng)濟(jì)"策略——石莼通過減少色素投資優(yōu)化光能利用效率，適應(yīng)高CO?環(huán)境。

 

5. 核心結(jié)論

 

生長促進(jìn)：CO?升高（1000–2000 ppm）顯著加速三種石莼的生長速率，可能加劇綠潮暴發(fā)頻率和規(guī)模。

 

生理適應(yīng)機(jī)制：

 

光合碳固定和呼吸代謝增強(qiáng)，降低維持細(xì)胞pH的能量消耗。

 

硝酸鹽吸收與同化能力提升，支持生物量積累。

 

生態(tài)影響：石莼可能成為未來海洋酸化下的"贏家物種"，但大規(guī)模增殖可能破壞海岸帶生態(tài)平衡。

 

6. 丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

技術(shù)原理與方法

 

設(shè)備型號(hào)：Unisense Clark型O?電極（100 μm尖端，響應(yīng)時(shí)間<10秒）。

 

測(cè)量過程：

 

藻體置于密閉反應(yīng)瓶（1 g FW·L?1），預(yù)平衡不同CO?濃度的培養(yǎng)基。

 

90秒內(nèi)快速測(cè)定光合O?釋放和呼吸耗O?速率（避免藻體代謝改變培養(yǎng)基pH）。

 

關(guān)鍵參數(shù)：光合放氧率（μmol O?·g?1FW·h?1）、呼吸耗氧率（同前）。

 

研究意義

 

揭示能量分配優(yōu)化：

 

高CO?下呼吸速率增加（圖4b），反映細(xì)胞將更多能量用于生長而非維持胞外pH，解釋生長加速的生理基礎(chǔ)。

 

驗(yàn)證碳濃縮機(jī)制（CCM）：

 

光合放氧率增加（圖4a）證實(shí)石莼在高CO?下更高效利用HCO??/CO?，支持"CCM抑制假說"（即高CO?降低CCM能量消耗）。

 

方法學(xué)優(yōu)勢(shì)：

 

快速無損：90秒內(nèi)完成測(cè)量，避免長期暴露對(duì)培養(yǎng)基碳酸系統(tǒng)的干擾。

 

高時(shí)空分辨率：秒級(jí)響應(yīng)捕捉瞬時(shí)生理變化，優(yōu)于傳統(tǒng)光強(qiáng)曲線等間接方法。

 

生態(tài)啟示

 

綠潮預(yù)警：Unisense數(shù)據(jù)直接證明高CO?下石莼光合產(chǎn)能提升，為預(yù)測(cè)未來綠潮暴發(fā)提供關(guān)鍵參數(shù)。

 

碳匯潛力：證實(shí)石莼在高CO?環(huán)境中具有強(qiáng)碳固定能力，支持其作為藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。

 

總結(jié)

 

本研究通過多指標(biāo)分析揭示：

 

CO?升高是綠潮的隱形推手：通過促進(jìn)光合、呼吸和氮代謝，加速石莼增殖（圖1, 4, 5）。

 

Unisense電極的核心作用：直接量化生理響應(yīng)，揭示"降低pH維持能耗"是關(guān)鍵適應(yīng)機(jī)制（圖4）。

 

未來風(fēng)險(xiǎn)：若不控制碳排放，石莼綠潮可能更頻繁，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與生態(tài)管理。