Elevated CO2 accelerated the bloom of three Ulva species after one life cycle culture

升高的 CO2 加速了 3 種石莼物種在一次生命周期培養后的開花

來源：Journal of Applied Phycology · August 2021

 

1. 摘要核心內容

 

本研究通過實驗室培養實驗，探究了大氣CO?濃度升高（400 ppm vs. 1000 ppm vs. 2000 ppm）對三種石莼屬海藻（Ulva prolifera、U. linza、U. compressa）的生理影響：

 

關鍵發現：

 

生長加速：CO?升高顯著提高三種石莼的相對生長速率（RGR），最高增幅達39.32%·d?1（U. compressa，2000 ppm）（圖1）。

 

 

光合與呼吸增強：光合O?釋放速率和呼吸速率均隨CO?升高而增加（圖4a,b），但光合系統II（PSII）量子產率（Y II）和電子傳遞率（ETR II）下降（圖4）。

 

營養吸收提升：硝酸鹽轉運基因（NRT）表達、硝酸鹽吸收速率（NUR）和硝酸鹽還原酶活性（NRA）均顯著升高（圖5）。

 

機制：CO?升高通過增強光合效率、降低維持外部pH的能量消耗，以及促進硝酸鹽代謝基因表達，加速石莼增殖，可能加劇綠潮暴發風險。

 

2. 研究目的

 

預測海洋酸化影響：評估CO?濃度升高（模擬2100年1000 ppm和2300年2000 ppm場景）對石莼屬海藻生理功能的長期效應。

 

揭示綠潮暴發機制：探究CO?升高如何通過調節光合、呼吸和營養吸收促進石莼增殖。

 

填補研究空白：聚焦成熟個體對長期CO?刺激的響應（以往研究多關注幼體階段）。

 

3. 研究思路

 

樣本與培養：

 

采集青島潮間帶的三種石莼（U. prolifera、U. linza、U. compressa），在實驗室培養6周至成熟個體。

 

設置三組CO?濃度：400 ppm（當前）、1000 ppm（2100年預測）、2000 ppm（2300年預測）。

 

指標測量：

 

碳酸鹽系統參數：pH、pCO?、總堿度（TA）、溶解無機碳（DIC）等（表1）。

 

生長與生物量：相對生長速率（RGR）（圖1）。

 

光合生理：葉綠素含量（圖3）、光合O?釋放與呼吸速率（Unisense電極測量）（圖4a,b）、PSII量子產率（圖4）。

 

 

營養代謝：硝酸鹽轉運基因（NRT）表達、硝酸鹽吸收速率（NUR）、硝酸鹽還原酶活性（NRA）（圖5）。

 

元素組成：組織碳（C）、氮（N）含量及C/N比（表3）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 生長與生物量（圖1）

 

數據：所有物種的RGR隨CO?升高顯著增加（U. compressa在2000 ppm時RGR達39.32%·d?1）。

 

意義：證實CO?升高直接促進石莼增殖，為綠潮暴發提供生理學依據。

 

(2) 光合與呼吸（圖4）

 

數據：

 

光合O?釋放速率和呼吸速率隨CO?升高而增加（圖4a,b）。

 

PSII量子產率（Y II）和電子傳遞率（ETR II）下降（圖4）。

 

意義：高CO?下石莼通過提升光合碳固定效率和呼吸代謝適應酸化環境，但光化學效率降低反映潛在光抑制。

 

(3) 營養吸收與代謝（圖5）

 

數據：NRT基因表達、NUR和NRA在2000 ppm時達峰值（如U. linza的NUR為280.08 μmol·g?1FW·h?1）。

 

意義：CO?升高通過上調硝酸鹽轉運基因和酶活性，增強氮利用效率，支持快速生長。

 

(4) 元素組成（表3）

 

數據：組織氮含量顯著增加（如U. prolifera從3.63%升至4.38%），C/N比下降（如U. linza從7.10降至6.32）。

 

意義：反映高CO?下石莼的氮同化能力增強，可能提升其作為生物修復工具的潛力（如富營養化水體凈化）。

 

(5) 色素含量（圖3）

 

數據：葉綠素a和b含量隨CO?升高顯著下降（如U. linzaChl a從2.26降至1.70 mg·g?1FW）。

 

意義：體現"色素經濟"策略——石莼通過減少色素投資優化光能利用效率，適應高CO?環境。

 

5. 核心結論

 

生長促進：CO?升高（1000–2000 ppm）顯著加速三種石莼的生長速率，可能加劇綠潮暴發頻率和規模。

 

生理適應機制：

 

光合碳固定和呼吸代謝增強，降低維持細胞pH的能量消耗。

 

硝酸鹽吸收與同化能力提升，支持生物量積累。

 

生態影響：石莼可能成為未來海洋酸化下的"贏家物種"，但大規模增殖可能破壞海岸帶生態平衡。

 

6. 丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

技術原理與方法

 

設備型號：Unisense Clark型O?電極（100 μm尖端，響應時間<10秒）。

 

測量過程：

 

藻體置于密閉反應瓶（1 g FW·L?1），預平衡不同CO?濃度的培養基。

 

90秒內快速測定光合O?釋放和呼吸耗O?速率（避免藻體代謝改變培養基pH）。

 

關鍵參數：光合放氧率（μmol O?·g?1FW·h?1）、呼吸耗氧率（同前）。

 

研究意義

 

揭示能量分配優化：

 

高CO?下呼吸速率增加（圖4b），反映細胞將更多能量用于生長而非維持胞外pH，解釋生長加速的生理基礎。

 

驗證碳濃縮機制（CCM）：

 

光合放氧率增加（圖4a）證實石莼在高CO?下更高效利用HCO??/CO?，支持"CCM抑制假說"（即高CO?降低CCM能量消耗）。

 

方法學優勢：

 

快速無損：90秒內完成測量，避免長期暴露對培養基碳酸系統的干擾。

 

高時空分辨率：秒級響應捕捉瞬時生理變化，優于傳統光強曲線等間接方法。

 

生態啟示

 

綠潮預警：Unisense數據直接證明高CO?下石莼光合產能提升，為預測未來綠潮暴發提供關鍵參數。

 

碳匯潛力：證實石莼在高CO?環境中具有強碳固定能力，支持其作為藍碳生態系統的組成部分。

 

總結

 

本研究通過多指標分析揭示：

 

CO?升高是綠潮的隱形推手：通過促進光合、呼吸和氮代謝，加速石莼增殖（圖1, 4, 5）。

 

Unisense電極的核心作用：直接量化生理響應，揭示"降低pH維持能耗"是關鍵適應機制（圖4）。

 

未來風險：若不控制碳排放，石莼綠潮可能更頻繁，需加強監測與生態管理。