標(biāo)題：Effects of Epiphytic Biofilm Activity on the Photosynthetic Activity, pH and Inorganic Carbon Microenvironment of Seagrass Leaves (Zostera marina L.)  

附生生物膜活性對(duì)海草葉光合活性、pH 值和無(wú)機(jī)碳微環(huán)境 （Zostera marina L.） 的影響

來(lái)源：期刊 Frontiers in Marine Science，發(fā)表日期 2022年5月10日

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過(guò)微傳感器技術(shù)，探究了附生生物膜對(duì)海草（Zostera marina）葉片光合作用、pH和無(wú)機(jī)碳微環(huán)境的影響。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括：  

1. 生物膜活性主導(dǎo)氧氣產(chǎn)生：在光照下，活性生物膜（含微生物群落）的葉片O?通量是惰性生物膜（人工無(wú)菌瓊脂層）的3.2倍，表明生物膜光合作用貢獻(xiàn)了葉片微環(huán)境中大部分O?。  

2. 生物膜誘導(dǎo)強(qiáng)堿化：活性生物膜使葉面pH升至8.9（光照下），遠(yuǎn)高于惰性生物膜（pH 8.2）和裸露葉片（pH 7.9），加劇CO?限制。  

3. 無(wú)機(jī)碳利用轉(zhuǎn)變：活性生物膜下，葉面CO?濃度降至0.1 μmol L?1（惰性膜下為9.7 μmol L?1），迫使海草依賴(lài)HCO??（占碳通量97%）進(jìn)行光合作用，增加能量消耗。  

4. 擴(kuò)散屏障與生物活性協(xié)同作用：生物膜厚度增加擴(kuò)散距離（TDD=710 μm），但其微生物活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)微環(huán)境變化（高O?、高pH、低CO?）的主因。  

 

研究目的

 

1. 區(qū)分生物膜作用機(jī)制：量化附生生物膜的微生物活性（如光合/呼吸）與物理擴(kuò)散屏障效應(yīng)對(duì)海草葉片微環(huán)境的獨(dú)立貢獻(xiàn)。  

2. 闡明碳限制機(jī)制：揭示生物膜如何通過(guò)改變pH和無(wú)機(jī)碳形態(tài)（CO? vs. HCO??）影響海草光合效率。  

3. 評(píng)估生態(tài)影響：為富營(yíng)養(yǎng)化海域中海草衰退（因生物膜過(guò)度生長(zhǎng)）提供機(jī)制解釋。  

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

活性生物膜：天然附生生物膜覆蓋的海草葉片。  

 

惰性生物膜：用無(wú)菌瓊脂層模擬生物膜厚度（無(wú)微生物活性），僅保留擴(kuò)散屏障效應(yīng)。  

 

對(duì)照組：裸露葉片（無(wú)生物膜）、生物膜移除后的葉片。  

 

2. 微環(huán)境監(jiān)測(cè)：  

使用丹麥Unisense微電極（O?和pH傳感器）原位測(cè)量葉片表面O?濃度、pH梯度及擴(kuò)散邊界層（DBL）。  

 

結(jié)合總無(wú)機(jī)碳（DIC）數(shù)據(jù)，計(jì)算CO?和HCO??濃度與通量。  

 

3. 條件對(duì)比：  

光照（230 μmol photons m?2 s?1） vs. 黑暗。  

 

測(cè)量位置：生物膜-水界面、葉片-生物膜界面。  

 

4. 數(shù)據(jù)分析：  

通量計(jì)算（Fick擴(kuò)散定律）、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（t檢驗(yàn)）比較不同處理間的O?/碳通量差異。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

1. O?濃度與通量（圖2、圖6A；表1）

 

 數(shù)據(jù)：  

 

光照下，活性生物膜葉面O?濃度達(dá)552 μmol L?1（惰性膜：363 μmol L?1）。  

 

O?通量：活性膜（300 nmol cm?2 h?1） > 惰性膜（81 nmol cm?2 h?1）。  

 

 意義：生物膜微生物光合作用是O?主要來(lái)源（貢獻(xiàn)69%），其活性加劇葉片超氧環(huán)境，可能促進(jìn)光呼吸。  

 

2. pH梯度（圖3；表1）

 

 數(shù)據(jù)：活性生物膜使葉面pH升至8.9（惰性膜：8.2），黑暗時(shí)降至7.6。  

 

 意義：生物膜光合作用消耗CO?導(dǎo)致強(qiáng)堿化，推動(dòng)碳酸平衡向HCO??移動(dòng)，限制CO?可用性。  

 

3. 無(wú)機(jī)碳形態(tài)與通量（圖4、5、6B-D；表1）

 

 

 數(shù)據(jù)：  

 

活性膜葉面CO?濃度僅0.1 μmol L?1（惰性膜：9.7 μmol L?1）。  

 

HCO??通量占比：活性膜（97%） > 惰性膜（91%）。  

 

總碳通量：活性膜（234 nmol cm?2 h?1） > 惰性膜（51 nmol cm?2 h?1）。  

 

 意義：生物膜活動(dòng)迫使海草依賴(lài)HCO??（高能耗過(guò)程），降低光合效率；CO?限制（葉面濃度<1 μmol L?1）是光合作用主要瓶頸。  

 

4. 擴(kuò)散距離（TDD）（圖2-5）

 

 數(shù)據(jù)：生物膜增加TDD至710 μm（裸露葉片：90 μm）。  

 

 意義：物理屏障延緩氣體交換，但生物活性（非僅厚度）是驅(qū)動(dòng)微環(huán)境變化的主因。  

 

Unisense微電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

技術(shù)原理與應(yīng)用

 

 傳感器類(lèi)型：  

 

O?微電極（OX-25）：Clark型，尖端25 μm，響應(yīng)時(shí)間<1秒，空間分辨率達(dá)微米級(jí)。  

 

pH微電極（pH-100）：尖端100 μm，敏感玻璃長(zhǎng)度150-250 μm，需結(jié)合參比電極（REF-RM）。  

 

 校準(zhǔn)：  

 

O?電極：線性校準(zhǔn)（空氣飽和海水 vs. 無(wú)氧溶液）。  

 

pH電極：多點(diǎn)校準(zhǔn)（pH 4/7/10緩沖液）。  

 

 測(cè)量流程：  

 

  1. 微電極固定于電動(dòng)微操縱器，精確定位至葉片表面。  

  2. 步進(jìn)式（2 μm步長(zhǎng)）垂直剖面測(cè)量，穩(wěn)態(tài)下記錄O?/pH梯度（光照/黑暗各>30分鐘平衡）。  

 

研究意義

 

1. 高分辨率原位監(jiān)測(cè)：  

直接捕捉生物膜-葉片界面的O?/pH動(dòng)態(tài)（如光照下O?躍升至552 μmol L?1），克服傳統(tǒng)破壞性采樣局限。  

 

2. 量化微生物活性貢獻(xiàn)：  

對(duì)比活性/惰性生物膜，明確微生物光合作用主導(dǎo)O?產(chǎn)生（圖6A）和堿化（圖3）。  

 

3. 揭示碳限制機(jī)制：  

pH微剖面數(shù)據(jù)計(jì)算CO?/HCO??濃度（圖4、5），證實(shí)活性生物膜使葉面CO?近乎耗盡（0.1 μmol L?1），解釋海草為何依賴(lài)高能耗的HCO??利用。  

 

4. 支撐生態(tài)模型：  

提供關(guān)鍵參數(shù)（如CO?通量?jī)H占O?通量3%），優(yōu)化海草光合-碳限制模型。  

 

結(jié)論

 

1. 生物膜活性是微環(huán)境變化主因：微生物光合作用（非僅物理屏障）導(dǎo)致葉面超氧（O?↑）、強(qiáng)堿化（pH↑）和CO?枯竭（CO?↓），迫使海草依賴(lài)HCO??進(jìn)行光合作用，增加能量消耗。  

2. 雙重負(fù)面效應(yīng)：  

短期：CO?限制與高光呼吸降低光合效率。  

 

長(zhǎng)期：富營(yíng)養(yǎng)化海域中生物膜過(guò)度生長(zhǎng)威脅海草健康，加劇生態(tài)系統(tǒng)衰退。  

 

3. 管理啟示：控制富營(yíng)養(yǎng)化以減少生物膜過(guò)度增殖，是保護(hù)海草床的關(guān)鍵策略。  

 

核心貢獻(xiàn)：首次量化生物膜微生物活性與物理屏障對(duì)海草微環(huán)境的獨(dú)立影響，為海草衰退機(jī)制提供高分辨率實(shí)證。