Responses of coral gastrovascular cavity pH during light and dark incubations to reduced seawater pH suggest species-specific responses to the effects of ocean acidification on calcification  

珊瑚胃腔pH在光照和黑暗培養中對海水pH降低的響應表明海洋酸化對鈣化的影響存在物種特異性差異  

來源：Coral Reefs, volume 39, pages 1675–1691 (2020)

《珊瑚礁》第39卷 第1675–1691頁（2020年）

 

摘要內容

 

研究通過微電極技術，在三種海水pH（8.2、7.9、7.6）和光暗條件下，監測了兩種珊瑚（Montastraea cavernosa和Duncanopsammia axifuga）胃腔（GVC）的氧氣（O?）和pH動態。結果顯示：  

1. 光照下，光合作用使GVC pH顯著高于海水pH（pHGVC達8.4–8.7），O?飽和度超400%；黑暗時呼吸作用使pHGVC低于海水pH（最低至pH 7.0以下）。  

2. 海水pH降至7.6時，兩種珊瑚鈣化率均顯著降低，但在pH 7.9時鈣化率未受影響，表明珊瑚生理調節可緩沖中度酸化。  

3. 物種差異顯著：M. cavernosa在光照下能維持高pHGVC不受海水pH影響，而D. axifuga的pHGVC隨海水pH降低線性下降。  

 

研究目的

 

1. 量化光暗條件下珊瑚胃腔O?和pH的動態變化。  

2. 探究海水pH降低（模擬海洋酸化）對胃腔pH和鈣化率的直接影響。  

3. 揭示不同珊瑚物種對酸化的生理響應差異及機制。  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

   ? 選取兩種大息肉珊瑚（M. cavernosa和D. axifuga），在可控流室中模擬三種海水pH（8.2對照、7.9和7.6）。  

 

   ? 結合光照（300–400 μmol m?2 s?1）與黑暗條件，使用Unisense微電極實時監測GVC內O?和pH（圖2d-f）。  

 

   ? 通過總堿度（TA）變化計算鈣化率，關聯pHGVC與鈣化響應。  

 

2. 數據采集：  

   ? O?動態：記錄光暗轉換下GVC O?飽和度的瞬時變化（圖3）。  

 

   ? pH剖面：測量交替光暗（圖4）和階梯式降pH（圖5）下的pHGVC。  

 

 

   ? 鈣化率：通過TA變化計算光照下的鈣化速率（圖7）。  

 

測量數據及研究意義

 

1. GVC O?飽和度（圖3）：  

   ? 數據：光照下O?飽和度達400%，黑暗時驟降至近0%。  

 

   ? 意義：證實光合與呼吸作用驅動GVC內極端化學振蕩，黑暗期可能引發組織缺氧。  

 

   ? 來源：圖3（M. cavernosa在pH 8.2下的典型響應）。  

 

2. pHGVC光暗響應（圖4, 6）：  

 

   ? 數據：光照時pHGVC較海水pH高0.25–0.93單位；黑暗時低0.49–1.00單位（表2）。  

 

   ? 意義：揭示珊瑚通過光合作用主動提升pHGVC，可能緩解酸化對鈣化的抑制。  

 

   ? 來源：圖4（光暗交替實驗）、圖6（物種對比）。  

 

3. 鈣化率與pHGVC關聯（圖7）：  

   ? 數據：pH 7.6時鈣化率顯著降低（M. cavernosa降23%，D. axifuga降57%），pH 7.9時無影響。  

 

   ? 意義：生理調節在pH 7.9時可維持鈣化，但pH 7.6超出緩沖閾值。  

 

   ? 來源：圖7a,d,g（鈣化率隨pH變化）。  

 

4. 物種特異性差異（圖6, 7）：  

   ? 數據：M. cavernosa在光照下維持pHGVC穩態（pH 8.4–8.6），D. axifuga的pHGVC隨海水pH線性下降。  

 

   ? 意義：共生藻密度與物種形態影響酸化耐受性，M. cavernosa的抗逆性更強。  

 

   ? 來源：圖6（pHGVC響應斜率）、圖7h（鈣化與pHGVC相關性）。  

 

結論

 

1. 生理緩沖能力：珊瑚通過光合作用提升pHGVC，可在pH 7.9時完全抵消海水酸化的鈣化抑制效應。  

2. 酸化閾值：pH 7.6時鈣化率顯著下降，表明超出珊瑚生理調節極限。  

3. 物種差異：M. cavernosa依賴共生藻維持pH穩態，D. axifuga的pHGVC直接受海水pH調控，后者更易受酸化影響。  

4. 生態啟示：珊瑚的晝夜pH波動（>1單位）遠超世紀尺度酸化預測（0.3單位），但長期酸化疊加熱應激可能削弱其緩沖能力。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

Unisense微電極的應用（方法2.4–2.6節）實現了三項突破性發現：  

1. 高分辨率動態監測：  

   ? 以秒級精度捕捉GVC內O?和pH的瞬時變化（如圖3中O?在光暗切換后10分鐘內驟降），揭示珊瑚代謝的快速響應能力。  

 

2. 酸化緩沖機制實證：  

   ? 在M. cavernosa中，電極數據直接證實光照下pHGVC可維持pH 8.4–8.6（圖6a），不受海水pH降至7.6的影響，為"光合作用提升內部pH"假說提供原位證據。  

 

3. 物種特異性調控解析：  

   ? 通過對比D. axifuga的線性下降響應（圖6b），電極數據揭示物種間pH調控策略差異：M. cavernosa依賴內源性穩態機制，D. axifuga更依賴環境pH，解釋其酸化敏感性。  

 

科學價值：Unisense電極的空間分辨率（100 μm尖端）首次在模擬酸化場景下量化珊瑚微環境的實時化學波動，為珊瑚生理學研究設立新技術標準，并證明短期酸化中生理緩沖的關鍵作用。