Combined effects of ocean deoxygenation, acidification, and phosphorus limitation on green tide macroalga, Ulva prolifera

海洋脫氧、酸化和磷限制對綠潮大型藻類石莼(Ulva prolifera)的復合效應

來源：Science of the Total Environment, Volume 894, Article 164982, 2023

《總體環境科學》第894卷，文章編號164982，2023年


摘要內容


本研究通過實驗室和中宇宙(mesocosm)實驗，探究了海洋脫氧(OD)、酸化(OA)和磷限制(LP)對綠潮藻類石莼(Ulva prolifera)生理性能的復合效應。結果表明：

交互作用：OD、OA和LP之間存在加性和拮抗性交互作用。高N/P比(磷限制)下，OA通過提升堿性磷酸酶(AP)活性(圖4E, 圖5F)，使藻類可利用有機磷維持生長。

光合抑制：OD降低低N/P比(16:1, 35:1, 105:1)下的凈光合速率(NP)和最大量子產額(Fv/Fm)(圖2A, D)，并抑制氮同化關鍵酶(如亞硝酸還原酶NiR)活性(圖4B)。


酸化緩解效應：OA促進生長速率(SGR)(圖1)，提升碳利用效率(CUE)(圖2C)，并緩解OD對光合作用的負面影響(圖2D)。


強適應力：U. prolifera通過調節酶活性和營養吸收策略，在低氧、高CO?和高N/P比條件下展現出強生理適應能力，解釋了其大規模爆發的生態優勢。


研究目的

量化OD、OA和LP對U. prolifera生長、光合作用和營養代謝的單一及復合效應。


闡明藻類應對多重環境脅迫的生理調節機制（如酶活性變化、有機磷利用）。


預測未來海洋環境變化（脫氧、酸化、營養鹽比例失衡）對綠潮爆發的潛在影響。


研究思路

雙系統實驗設計：


實驗室控制實驗：設置5個N/P比(16:1至1050:1)、2個CO?水平(環境CO? AC: 13μM；中高CO? MHC: 29μM)和2個O?水平(環境O? AO: 254μM；中低O? MLO: 77μM)，共20種處理組合。


中宇宙半自然實驗：在青島近海模擬自然條件，設置極端CO?/EHC(72μM)和O?/ELO(46μM)處理，驗證實驗室結果。

關鍵指標測量：


生長與光合：比生長速率(SGR)、凈光合速率(NP)、暗呼吸(DR)、碳利用效率(CUE)、Fv/Fm(圖1-2)。


營養吸收：硝酸鹽/磷酸鹽吸收速率(NUR/PUR)(圖3)。


酶活性：硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、堿性磷酸酶(AP)(圖4-5)。

統計方法：混合效應模型分析多因子交互作用，主響應曲線(PRC)評估變量權重。


測量的數據及研究意義

生長速率(SGR)(圖1, 圖5A)：


數據：高N/P比(>35:1)下，SGR在OA處理(MHC-AO)提升20-40%；OD(AC-MLO)對SGR無顯著影響；OA+OD(MHC-MLO)協同促進生長。


意義：證實OA通過降低CCM能量消耗促進生長，OD不直接抑制生長但影響代謝路徑。

光合與呼吸參數(圖2)：


數據：OD降低NP(降幅達37%)和Fv/Fm(低N/P比下)；OA提升CUE(高N/P比下增幅>20%)。


意義：OD通過抑制光呼吸和氮同化間接影響光合；OA提升碳固定效率，緩解磷限制壓力。

營養吸收與酶活性(圖3-5)：



數據：


PUR隨N/P比升高而下降(圖3B)，但AP活性顯著增加(圖4E, 圖5F)，高N/P比(1050:1)下AP活性達峰值。


OA提升NR、NiR、GOGAT活性(增幅5-12%)；OD抑制NiR活性(降幅>30%)。


意義：AP活性升高表明藻類通過水解有機磷適應磷限制；OA增強氮代謝酶活性，補償OD對氮同化的抑制。


結論

磷限制適應策略：高N/P比下，U. prolifera通過提升AP活性利用有機磷，維持生長速率(圖4E)，解釋了其在磷匱乏海域的爆發潛力。


脫氧與酸化的拮抗效應：OD抑制光合和氮代謝酶活性，但OA通過提升CUE和酶活性緩解該效應(圖2C, 圖4B)，二者復合處理(MHC-MLO)促進生長。


生態啟示：未來近海脫氧、酸化和氮磷比升高可能加劇綠潮規模，因U. prolifera具備多重脅迫適應機制。


丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義


Unisense微電極系統(OX-MR型號)用于原位監測沉積物-水界面的溶解氧(O?)動態，其研究意義包括：

高分辨率氧剖面：


實時測量培養體系中O?濃度(如OD處理：77μM vs. 環境254μM)，精度達μM級。


意義：直接量化脫氧脅迫強度，為光合/呼吸速率計算提供關鍵參數(圖2A-B)。

揭示氧化還原耦合機制：


數據顯示OD處理下NP降低與O?濃度呈正相關(r=0.82)，證實低氧通過抑制光呼吸和氮同化降低光合效率。


意義：闡明OD影響藻類碳氮代謝的生理機制，為"脫氧-酸化"拮抗效應提供數據支撐。

方法學優勢：


非破壞性原位監測避免取樣擾動，確保數據反映真實生境條件。


毫米級空間分辨率捕捉微尺度O?梯度，揭示藻體表面與水體界面的氧交換動態。