標題：Irradiance, Water Column O2, and Tide Drive Internal O2 Dynamics and Meristem H2S Detection in the Dominant Caribbean-Tropical Atlantic Seagrass, Thalassia testudinum  

加勒比-熱帶大西洋海草 Thalassia testudinum 的輻照度、水柱 （潛水式微電極系統）O 2 和潮汐驅動內部 O 2 動力學和分生組織 H 2 S 檢測

來源：Estuaries and Coasts (Published online: 18 April 2022; © Coastal and Estuarine Research Federation 2022)  

 

摘要內容  

摘要闡述了水柱缺氧（低氧分壓，pO?）和硫化氫（H?S）侵入作為全球海草衰退的關鍵因素，重點關注熱帶優勢種Thalassia testudinum在佛羅里達灣（易發海草死亡事件）的現場動態。研究通過微傳感器技術揭示：白天高光照驅動葉片氧化能力（pO?達42–53 kPa），維持組織有氧狀態并使水柱O?超飽和（>21 kPa）；但夜間分生組織普遍缺氧（pO? <1 kPa），且H?S僅在特定條件下（如水柱pO?接近缺氧且高溫33°C）侵入分生組織。摘要強調水柱O?在夜間通過擴散緩沖葉片缺氧的重要性，并指出全球變暖可能加劇H?S侵入風險。  

 

研究目的  

研究旨在闡明環境因子（光照、水柱O?、潮汐）如何驅動海草內部O?和H?S動態，并驗證以下假設：  

分生組織H?S侵入主要由夜間水柱O?不足驅動，而非白天氧化能力限制。  

 

高溫和水柱缺氧協同加劇H?S侵入風險，解釋佛羅里達灣海草死亡事件的機制。  

 

季節變化（溫度、光照）調節內部氣體動態，影響海草恢復力。  

 

研究思路  

研究采用現場多季節微傳感器部署（12次，48–72小時），結合高分辨率環境監測：  

1. 實驗設計：在佛羅里達灣Johnson Key海草草甸（反復死亡事件區）部署微傳感器，測量葉片和分生組織的O?和H?S動態，同步記錄光照、水溫、鹽度及水柱O?。  

2. 技術整合：使用丹麥Unisense微電極（O?和H?S傳感器）植入葉片氣腔和分生組織，驗證原位氣體交換；輔以孔隙水化學分析（H?S、pH）。  

3. 數據分析：通過晝夜對比、季節比較（冬、春、夏、秋）和回歸模型，量化光照驅動O?加壓速率、水柱O?對內部pO?的擴散效應，以及H?S檢測閾值。  

4. 機制驗證：關聯水柱缺氧事件與分生組織H?S侵入，評估溫度對O?溶解度和呼吸耗氧的調控作用。  

 

測量數據及其研究意義  

研究測量了多維度數據，每項數據均來自文檔圖表，并具明確研究意義：  

葉片O?動態（pO?）：  

 

 來源：圖3（典型晝夜動態）、表2（加壓速率）、表3（峰值pO?）。  

 

 數據意義：量化光照對O?加壓的驅動（如早晨速率~13 kPa h?1），證實高輻照度（>1000 μmol photons m?2 s?1）是維持葉片氧化的關鍵。意義在于揭示海草光合能力對水柱O?超飽和的正反饋機制，緩沖夜間缺氧風險。  

 

 分生組織O?動態與H?S檢測：  

 

 來源：圖5（缺氧時長與日落pO?關系）、表6（夜間pO?參數）、圖7（H?S檢測示例）。  

 

 數據意義：92%夜間分生組織pO?<1 kPa（表6），但H?S僅檢測于水柱pO?<1 kPa且高溫33°C時（圖7）。意義在于驗證H?S侵入需極端條件（水柱缺氧+高溫），突顯水柱O?是防御H?S的核心屏障。  

 

 

水柱與組織O?耦合：  

來源：圖6（季節O?動態）、表7（水柱-組織pO?回歸）。  

 

數據意義：葉片pO?與水柱pO?高度線性（斜率0.82，R2≥0.82；表7），分生組織響應滯后1小時（表1）。意義在于證明水柱O?通過被動擴散維持葉片有氧狀態，但分生組織因高呼吸需求更易缺氧。  

 

環境參數（光照、溫度、鹽度）：  

來源：、圖8（溫度-O?關系）。  

數據意義：夏季最高溫（33°C）對應最低水柱O?（2 kPa；圖8），驅動最高O?消耗率（葉片-2.93 kPa h?1）。意義在于闡明溫度通過降低O?溶解度和增加呼吸耗氧，加劇系統脆弱性。  

 

丹麥Unisense微電極測量數據的詳細解讀  

研究使用丹麥Unisense微電極（Clark-type O?和H?S傳感器，尖端直徑~100 μm）進行原位高分辨率測量，其研究意義體現在：

  

高時空分辨率動態捕捉：微電極提供秒級響應（0.3 s），直接量化葉片氣腔和分生組織的O?/H?S梯度（圖2, 3）。例如，在光照變化時（圖4），實時顯示葉片pO?對輻照度下降的敏感性（滯后僅15–30分鐘），揭示海草光合-呼吸平衡的脆弱性。這種分辨率克服了傳統批量測量的局限，首次在野外驗證光照波動如何瞬時影響內部O?穩態。  

 

 

機制性驗證H?S侵入閾值：通過同步測量O?和H?S（圖7），明確H?S僅在分生組織pO?<1 kPa且水柱pO?<1 kPa時檢測到（150 μM峰值）。微電極數據直接證實“缺氧是H?S侵入必要非充分條件”，需疊加高溫（33°C）降低O?溶解度。這一發現解釋佛羅里達灣夏季死亡事件的突發性，并為全球海草衰退模型提供關鍵參數。  

 

擴散動力學的定量解析：微電極數據（表7）量化水柱O?對葉片的擴散效率（斜率0.82），但顯示分生組織無法有效利用水柱O?（滯后1小時）。這揭示海草O?傳輸瓶頸：葉片通過氣腔快速交換，而分生組織依賴縱向O?運輸，易受呼吸需求壓制。意義在于指導修復策略（如增強水流破壞邊界層）。  

 

技術優勢與生態應用：Unisense系統的耐水性允許長期部署（48–72小時），結合潮汐數據（圖7），闡明潮汐涌入可短暫提升葉片pO?（~4 kPa）。此方法為評估氣候變化（變暖、缺氧）對海草生理的復合脅迫提供普適工具，推動微觀-生態系統尺度關聯研究。  

 

結論  

研究得出核心結論：  

1. 光照驅動日間氧化：T. testudinum葉片通過高輻照度（>1000 μmol photons m?2 s?1）實現快速O?加壓（~13 kPa h?1），維持水柱O?超飽和至日落后，形成關鍵抗缺氧緩沖。  

2. 夜間脆弱性：分生組織92%夜間缺氧（pO?<1 kPa），缺氧時長（平均4.2小時）由日落pO?預測（R2=0.83）。水柱O?擴散僅能緩沖葉片（維持pO?>5 kPa），無法阻止分生組織缺氧。  

3. H?S侵入機制：H?S僅在水柱pO?<1 kPa疊加高溫（33°C）時侵入分生組織（150 μM），直接驗證“缺氧+高溫”觸發模型。孔隙水H?S儲量高（200–400 μM），但侵入需組織缺氧突破氧化防御。  

4. 氣候與生態意義：變暖加劇水柱O?溶解度下降和呼吸耗氧，升高H?S風險；海草草甸通過光合超飽和維持水柱O?，是重要正反饋機制。結果支持全球海草衰退的“缺氧驅動H?S”假說，強調管理光照（減少濁度）和水柱O?對海草恢復力的重要性。