海水碳酸盐体系调控对代表性硅藻的影响及其机理初探
发布时间：2020-07-25 20:11
【摘要】：自工业革命以来,人类对自然的干扰与日俱增,引起了一系列的全球环境问题。由人为排放过量CO2导致的全球气候变暖更是成为全球研究热点。海洋是全球重要的碳储库,吸收了大约1/3的人为排放的CO2。这些CO2溶于海水,导致海水中溶解态CO2浓度上升,海水pH下降,即海洋酸化。硅藻是海洋重要的固碳生物,贡献了海洋40%,全球1/4的初级生产力,在全球碳循环中扮演重要角色。除此之外,硅藻具有较高的生物泵效率,贡献了超过一半的海洋有机碳向下输出的通量,对缓解全球气候变暖具有重要意义。目前对硅藻的酸化研究大多只是对现象的描述,鲜有从机理上对酸化的影响进行阐述。海洋酸化包括CO2和pH这两个因素的同时变化,要从机理上对酸化如何影响硅藻进行解释必须考虑这两个因子分别的效应。然而,用传统方法进行酸化研究无法区分两个因子,从而限制了对酸化影响藻类进行深层次机理上的探讨。据此,本研究从区分海洋酸化的双效应出发,以人工海水SOW为基础,通过投加不同浓度的NaHCO3,同时以强酸强碱调节培养液pH,再以有机酸EPPS稳定培养液pH等一系列手段来实现对培养液碳酸盐体系的调控,达到区分CO2和pH这两个因子的目的。研究第一部分以海洋代表性硅藻牟氏角毛藻、假微型海链藻和三角褐指藻为研究对象,对其无机碳获取过程在四个不同的pCO2-pH条件(400-8、800-8.1、400-7.8、800-7.8)下的响应进行研究,探讨CO2及pH如何影响硅藻无机碳获取以及其对硅藻生长的影响。研究第二部分以牟氏角毛藻为模式生物,通过对藻类生长、碳代谢和氮代谢等不同生理生化过程在四个不同pC02-pH条件下响应来探究海洋酸化(400-8.1vs800-7.8)对其影响,总结部分综合研究两部分内容及前人数据对海洋酸化的两个因子(CO2和pH)影响海洋硅藻的机理进行初步探讨。实验第一部分结果表明,酸化条件下(400-8.1vs800-7.8)三种硅藻的CCM都有一定幅度的下调。而且CO2是主要的调控因子,CO2浓度上升对三种硅藻CCM的下调都有一定作用,但pH对硅藻CCM则没有影响。横向对比三种硅藻的CCMs,牟氏角毛藻的K1/2最大,并且在酸化条件(400-8.1vs800-7.8)下提高利用CO2作为碳源的幅度最高(牟氏角毛藻38%,假微型海链藻16%,三角褐指藻20%),因此其CCM效率可能最低,可能更受益于酸化((CO2浓度上升)。实验第二部分结果表明:酸化(400-8.1vs800-7.8)促进了牟氏角毛藻的生长(13%),且CO2的上升是主要的影响因子。酸化(400-8.1vs800-7.8)对碳代谢中的总固碳速率(Shor term 14C uptake rate)、净固碳速率(Net C uptake rate)都有较大的促进作用,且CO2的上升和pH下降都有一定贡献。然而这两个因子对牟氏角毛藻呼吸速率基本没有影响,导致净生长加快。实验结果还表明牟氏角毛藻的氮代谢和碳代谢是同步变化的。酸化(400-8.1vs800-7.8)对牟氏角毛藻的净氮同化速率也是促进的(CO2的上升和pH下降共同影响),这一点由氮同化的关键酶硝酸还原酶的活性与净氮同化速率同步变化这一结果印证。因此对牟氏角毛藻而言,CO2的上升和pH下降共同导致对碳的吸收加强,并且带动氮的吸收同化加强,最终导致酸化条件(400-8.1vs800-7.8)细胞对碳、氮的吸收加快,生长加快。但并不是所有硅藻对酸化的响应都是一致的,结合实验第一部分内容以及实验室未发表数据可知,酸化(400-8.1vs800-7.8)并不一定会导致硅藻生长加快,假微型海链藻的生长对CO2的上升和pH都没有响应,C02的上升对三角褐指藻的生长有一定促进作用,最终导致酸化(400-8.1vs800-7.8)下生长加快(3.3%)。不同硅藻对海洋酸化的不同响应存在明显区别,这可能与不同调控因子(CO2或pH)调控不同生理生化过程(无机碳获取、呼吸作用等)所造成的净效应导致。牟氏角毛藻的无机碳获取受CO2调控,在酸化条件下(400-8.1vs7.8-900)节省能量,促进了生长。假微型海链藻的呼吸作用受pH调控,在酸化条件下呼吸加强,消耗固碳与CO2的正效应抵消,最终导致假微型海链藻对酸化无响应。三角褐指藻的无机碳获取受CO2调控,在酸化条件下节省能量,促进了生长,但幅度较弱。总之,不同硅藻对海洋酸化的响应不同,有促进也可能没有效应。从初步生理机理上来看,可能是无机碳获取过程(CO2调控)和呼吸作用(pH调控)以及碳、氮吸收等生理过程的净效应。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X173;X55
【图文】：
等人在夏威夷的莫纳罗亚观测站，对大气Ｃ０２浓度及其时间序列数据进行精确、逡逑系统的采集。得到的数据绘制成的基林曲线（Ｋｅｅｌｉｎｇｃｕｒｖｅ）可以清楚、直观地逡逑得到大气Ｃ０２浓度随时间变化的趋势。图１－１为１７００年至今的大气Ｃ０２浓度随逡逑时间变化图，从图１－１中我们可以看出，大气（：０２浓度在工业革命后急剧上升，逡逑并且增长速率越来越大，目前大气Ｃ０２浓度已经突破了邋４００邋ｎａｔｍ，对比１７００年逡逑上升了邋４９％。如果不对Ｃ０２进行人为调控，减少碳排放，任由局势发展，大气逡逑中Ｃ０２浓度只会越来越高，根据ＩＰＣＣ的对未来Ｃ０２排放量所做的模型（ＩＳ９２ａ）逡逑模拟可以得到，到本世界末，大气Ｃ０２浓度可能会增至７５０－１０００邋＾ａｔｍ＇大气逡逑Ｃ０２浓度上升导致的气候变暖、冰川融化、海平面上升和异常气候频发等现象会逡逑更严重，对人类的生存环境的威胁也更加史无前例。逡逑１逡逑
逦１９５０逦２０００逡逑图１－１大气ｃｏ２浓度随时间变化趋势１６１逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｒｅｎｄｓ邋ｏｆ邋ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｄｉｏｘｉｄｅ邋ｓｉｎｃｅ邋１７００逡逑通过对大气ｃｏ２的长期观测以及人类消耗的矿物燃料等数据的分析表明，逡逑大气Ｃ０２的增加量远小于人类活动的释放量，大气Ｃ０２的增量大约只占４０％的逡逑人为释放总量［７］。其余的人为来源ｃｏ２最可能的去向就是周转时间为几十年到几逡逑百年的碳库。这些碳库将人为ｃｏ２从空气中暂时固定下来，对降低大气（：０２具逡逑有重要作用。海洋是大气ｃｏ２重要的一个储库［７］，自工业革命以来，海洋从大气逡逑中吸收的Ｃ０２占人为排放二氧化碳的３０％ｍ，因此海洋作为Ｃ０２的一个重要储逡逑库，对缓解全球变暖具有重要作用。海洋吸收大气ｃｏ２的主要途径有两条，一逡逑是通过溶于水的（：０２与（；０３＞反应形成ＨＣ０厂，并且由于这一反应的平衡常数很逡逑大
４逦５逦６逦７逦８逦９逦１０逦１１逡逑ｐＨ逡逑图１－３海水中三种无机碳相对含量随ｐＨ变化１９１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｈｒｅｅ邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ｆｏｒｍｓ邋ｏｆ邋Ｃ0２邋ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ邋ｉｎ逡逑ｓｅａｗａｔｅｒ逡逑１．３海洋酸化对硅藻的影响逡逑海洋酸化对海水碳酸盐体系有较大影响（见绪论１．２）。由于生境发生变化，逡逑生活在海水中的浮游植物不可避免的也会对海洋酸化有一定响应。海洋酸化通过逡逑影响浮游植物群落结构最终影响整个海洋生态系统，和全球生物地球化学循环。逡逑由于海洋酸化是海水Ｃ０２浓度上升和ｐＨ下降同时发生的，这两个因素可能会对逡逑海洋浮游植物的各生理生化过程造成影响。逡逑１．３．１海洋浮游植物与硅藻的生态意义逡逑海洋浮游植物对全球固碳有重大贡献。由于浮游藻类生长很快，因此以不到逡逑陆地植物１％的生物量贡献了全球一半的初级生产力［ｉａｉｌ］。浮游植物驱动大气中逡逑的Ｃ０２不断溶于海洋，被称为海洋生物泵［１２］（图卜４），是全球重要的碳汇之一。逡逑海洋生物泵的运作主要是靠浮游植物的光合作用固定大气中的Ｃ０２为颗粒有机逡逑物（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ邋Ｏｒｇａｎｉｃ邋Ｃａｒｂｏｎ，邋Ｐ０Ｃ），固定的Ｐ０Ｃ通过更高营养级动物的摄逡逑食作用向深海运输，并经分解、沉降将碳埋藏在深海。除此之外，浮游植物和浮逡逑游动物还会释放溶解有机碳（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ邋Ｏｒｇａｎｉｃ邋Ｃａｒｂｏｎ
本文编号：2770307
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X173;X55
【图文】：
等人在夏威夷的莫纳罗亚观测站，对大气Ｃ０２浓度及其时间序列数据进行精确、逡逑系统的采集。得到的数据绘制成的基林曲线（Ｋｅｅｌｉｎｇｃｕｒｖｅ）可以清楚、直观地逡逑得到大气Ｃ０２浓度随时间变化的趋势。图１－１为１７００年至今的大气Ｃ０２浓度随逡逑时间变化图，从图１－１中我们可以看出，大气（：０２浓度在工业革命后急剧上升，逡逑并且增长速率越来越大，目前大气Ｃ０２浓度已经突破了邋４００邋ｎａｔｍ，对比１７００年逡逑上升了邋４９％。如果不对Ｃ０２进行人为调控，减少碳排放，任由局势发展，大气逡逑中Ｃ０２浓度只会越来越高，根据ＩＰＣＣ的对未来Ｃ０２排放量所做的模型（ＩＳ９２ａ）逡逑模拟可以得到，到本世界末，大气Ｃ０２浓度可能会增至７５０－１０００邋＾ａｔｍ＇大气逡逑Ｃ０２浓度上升导致的气候变暖、冰川融化、海平面上升和异常气候频发等现象会逡逑更严重，对人类的生存环境的威胁也更加史无前例。逡逑１逡逑
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４逦５逦６逦７逦８逦９逦１０逦１１逡逑ｐＨ逡逑图１－３海水中三种无机碳相对含量随ｐＨ变化１９１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｒｅｌａｔｉｖｅ邋ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｔｈｒｅｅ邋ｉｎｏｒｇａｎｉｃ邋ｆｏｒｍｓ邋ｏｆ邋Ｃ0２邋ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ邋ｉｎ逡逑ｓｅａｗａｔｅｒ逡逑１．３海洋酸化对硅藻的影响逡逑海洋酸化对海水碳酸盐体系有较大影响（见绪论１．２）。由于生境发生变化，逡逑生活在海水中的浮游植物不可避免的也会对海洋酸化有一定响应。海洋酸化通过逡逑影响浮游植物群落结构最终影响整个海洋生态系统，和全球生物地球化学循环。逡逑由于海洋酸化是海水Ｃ０２浓度上升和ｐＨ下降同时发生的，这两个因素可能会对逡逑海洋浮游植物的各生理生化过程造成影响。逡逑１．３．１海洋浮游植物与硅藻的生态意义逡逑海洋浮游植物对全球固碳有重大贡献。由于浮游藻类生长很快，因此以不到逡逑陆地植物１％的生物量贡献了全球一半的初级生产力［ｉａｉｌ］。浮游植物驱动大气中逡逑的Ｃ０２不断溶于海洋，被称为海洋生物泵［１２］（图卜４），是全球重要的碳汇之一。逡逑海洋生物泵的运作主要是靠浮游植物的光合作用固定大气中的Ｃ０２为颗粒有机逡逑物（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ邋Ｏｒｇａｎｉｃ邋Ｃａｒｂｏｎ，邋Ｐ０Ｃ），固定的Ｐ０Ｃ通过更高营养级动物的摄逡逑食作用向深海运输，并经分解、沉降将碳埋藏在深海。除此之外，浮游植物和浮逡逑游动物还会释放溶解有机碳（Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ邋Ｏｒｇａｎｉｃ邋Ｃａｒｂｏｎ
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 高坤山;;海洋酸化正负效应:藻类的生理学响应[J];厦门大学学报(自然科学版);2011年02期
2 ;Effect of CO_2 concentrations on the activity of photosyn-thetic CO2 fixation and extra-celluar carbonic anhydrase in the marine diatom Skeletonema costatum[J];Chinese Science Bulletin;2003年23期
3 胡晗华,高坤山;CO_2浓度倍增对牟氏角毛藻生长和光合作用的影响[J];水生生物学报;2001年06期
本文编号：2770307
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