Effects of water flow and ocean acidification on oxygen and pH gradients in coral boundary layer  

水流和海洋酸化對珊瑚邊界層氧和pH梯度的影響  

來源：Scientific Reports, Volume 14, Article number: 12757 (2024)

《科學報告》，第14卷，文章編號12757（2024年）

 

摘要內容：  

研究通過4個月預處理實驗，探究水流（低流速2 cm/s vs 中流速6 cm/s）和海洋酸化（OA, pH 7.8）對三種造礁珊瑚（Acropora cytherea, Pocillopora verrucosa, Porites cylindrica）邊界層（CBL）的影響。使用微電極測量O?和H?梯度厚度、表面濃度變化及O?通量。結果表明：1）水流顯著影響CBL厚度，低流速使O?和H? CBL增厚；2）OA對CBL厚度影響微弱，但降低表面pH絕對值；3）物種間CBL特征差異顯著，A. cytherea的O? CBL最薄；4）H? CBL厚度普遍小于O? CBL，OA下表面pH緩沖能力有限。  

 

研究目的：  

量化長期海洋酸化與水流速度變化對珊瑚邊界層物理化學微環境的交互影響，評估CBL在緩解OA脅迫中的作用機制。  

 

研究思路：  

預處理設計：珊瑚斷枝在控制組（pH 8.0）和OA組（pH 7.8）中培養4個月，模擬長期酸化暴露。  

 

實驗系統：單向流腔室中測試低流速（2 cm/s）和中流速（6 cm/s），結合光照/黑暗條件。  

 

微電極測量：使用Unisense O?和pH微電極以高空間分辨率（O?: 25μm, pH: 75μm）測量CBL梯度（厚度、表面△O?/△pH、O?通量）。  

 

數據分析：線性混合效應模型（LMM）解析物種、水流、OA、光暗條件的交互效應。  

 

測量數據及研究意義：  

O? CBL厚度（表2；圖1A）  

 

 

數據：低流速下增厚61-159%（物種差異顯著），OA僅使A. cytherea在低流速下增厚。  

 

意義：證實水流是CBL結構的主控因子，OA效應具物種特異性，反映珊瑚形態（如分枝結構）對質量傳遞效率的影響。  

H? CBL厚度（表2；圖1B）  

 

數據：普遍薄于O? CBL（<100μm），OA未顯著改變厚度。  

 

意義：H? CBL緩沖能力有限，珊瑚表面pH易受酸化海水直接影響。  

表面△O?/△pH（表2；圖2A,B）  

 

數據：△O?光照時正值（超飽和）、黑暗時負值；△pH光照微升（<0.1單位）、黑暗微降；低流速放大變化幅度。  

 

意義：揭示珊瑚代謝活動驅動表面微環境晝夜波動，但OA未增強pH緩沖（與大型珊瑚研究相反）。  

O?通量（表2；圖2C）  

 

數據：中流速下通量更高，OA僅降低A. cytherea的通量（-23%）。  

 

意義：通量變化與CBL厚度負相關，OA可能通過增厚CBL限制A. cytherea的光合作用質量傳遞。  

 

結論：  

水流是CBL結構的核心驅動力，低流速增厚CBL并放大表面化學梯度。  

 

OA對CBL厚度影響微弱，但降低表面pH絕對值，H? CBL緩沖能力有限（厚度<100μm）。  

 

物種差異顯著：A. cytherea對OA敏感（O?通量降低），P. verrucosa和P. cylindrica穩定性強。  

 

珊瑚表面pH緩沖能力（如光照期pH提升）在OA下未增強，小水螅體珊瑚可能缺乏有效的微環境隔離機制。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義：  

使用Unisense微電極（O?電極OX-25, pH電極pH-50）以高分辨率（亞毫米級）測量珊瑚-海水界面：  

揭示毫米級化學梯度：首次量化OA下珊瑚H? CBL厚度（平均94-107μm），發現其顯著薄于O? CBL（圖1），證明H?擴散邊界層緩沖能力有限，珊瑚表面pH易受酸化海水直接影響。  

 

解析流動-代謝耦合機制：捕捉到低流速下CBL增厚與表面△pH升高的關聯（圖2B），說明水流通過改變邊界層物理結構調控珊瑚光合/呼吸產物的擴散效率。  

 

驗證OA時效性：4個月OA暴露后，CBL厚度保持穩定（除A. cytherea在低流速下），但表面pH絕對值降低，證實長期酸化直接改變微環境化學基礎而非邊界層結構。  

 

技術優勢與局限：  

 

優勢：90%響應時間<10秒，實現原位微尺度動態監測；校準后精度達0.01 pH單位。  

 

局限：離體測量可能擾動微環境；復雜濃度剖面（7%案例）需特殊算法處理。  

生態啟示：微電極數據否定“CBL物理隔離緩解OA”假說，強調珊瑚內部pH調節機制（如離子轉運）的關鍵作用，為靶向生理干預提供依據。