研究簡介：全球變暖背景下，溫度升高對附生海草葉片生物膜中一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的生產(chǎn)及動態(tài)的影響。海草床是重要的沿海生態(tài)系統(tǒng)，提供多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如增強海洋生物多樣性、改善水質(zhì)和碳封存。然而，海草葉片的微生物群落（附生生物）在夜間可能會因氧氣供應(yīng)不足而產(chǎn)生溫室氣體和植物毒素，對海草產(chǎn)生負(fù)面影響。本研究旨在探究溫度升高如何影響海草葉片微生物群落中的厭氧過程，如反硝化和硫酸鹽還原。研究人員使用電化學(xué)微傳感器（unisense野外微電極研究系統(tǒng)）測量了在黑暗條件下，覆蓋有大量附生生物的海草葉片微環(huán)境中的氧氣、NO、N?O和H?S的濃度梯度，并研究了溫度（14°C和24°C）對這些過程的影響。

實驗結(jié)果表明，隨著海水溫度的升高，海草葉片微環(huán)境中的H?S生產(chǎn)和積累顯著增加，這可能會對海草造成傷害，因為H?S可以輕易地通過海草葉片薄的表皮擴散。此外，海草葉片還顯示出NO的生產(chǎn)和N?O的排放，這兩種氣體在夜間黑暗條件下產(chǎn)生。溫度升高和水柱中氧氣供應(yīng)減少（例如，在富營養(yǎng)化水域中的海洋熱浪期間）可能會在海草葉片微環(huán)境中引發(fā)有害的化學(xué)條件，這可能會對海草的性能和生態(tài)功能產(chǎn)生負(fù)面影響。研究發(fā)現(xiàn)與H?S相比，NO和N?O的動態(tài)對海水溫度升高的反應(yīng)有限，但附生生物覆蓋的海草葉片中的N?O生產(chǎn)和向周圍海水的排放可能會對海草床在溫室氣體平衡中的作用產(chǎn)生影響。本研究的結(jié)果強調(diào)了沿海富營養(yǎng)化和全球變暖對海草的級聯(lián)效應(yīng)，特別是在溫度升高時，海草葉片微環(huán)境中的H?S生產(chǎn)和NO的內(nèi)流可能會對海草的生產(chǎn)力和健康產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響。此外N?O排放的增加可能會削弱海草床作為溫室氣體匯的功能。因此，減少沿海富營養(yǎng)化和應(yīng)對全球變暖對于保護海草床的生態(tài)功能至關(guān)重要。

Unisense野外微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用于測量海草葉片微環(huán)境中的氧氣（O?）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的濃度梯度。測量在黑暗條件下進行，以模擬夜間海草葉片微環(huán)境的條件。所有的微電極測量均在一個定制的流動室中進行，該流動室能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的層流（流速為0.5厘米/秒）。流動室中的過濾海水（0.2微米，鹽度為30）是從一個支持水族箱中泵入的。水族箱通過一個金屬線圈連接到一個加熱/冷卻循環(huán)系統(tǒng)，以維持實驗所需的溫度。微電極連接到一個多通道微電極主機（Unisense A/S，丹麥），并安裝在一個電機化的微操縱器上。微操縱器和微電極測量儀均通過一臺電腦和專用的微剖面軟件）進行數(shù)據(jù)采集和傳感器定位控制。

實驗結(jié)果

溫度升高對附生海草葉片生物膜中一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的生產(chǎn)及動態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，溫度升高顯著刺激了海草葉片微環(huán)境中的H?S生產(chǎn)和積累，這可能會對海草造成傷害，因為H?S可以輕易地通過海草葉片薄的表皮擴散。此外，海草葉片還顯示出NO的生產(chǎn)和N?O的排放，這兩種氣體在夜間黑暗條件下產(chǎn)生。溫度升高和水柱中氧氣供應(yīng)減少可能會在海草葉片微環(huán)境中引發(fā)有害的化學(xué)條件，這可能會對海草的性能和生態(tài)功能產(chǎn)生負(fù)面影響。本研究強調(diào)了沿海富營養(yǎng)化和全球變暖對海草的級聯(lián)效應(yīng)，特別是在溫度升高時，海草葉片微環(huán)境中的H?S生產(chǎn)和NO的內(nèi)流可能會對海草的生產(chǎn)力和健康產(chǎn)生潛在的負(fù)面影響。此外，N?O排放的增加可能會削弱海草床作為溫室氣體匯的功能。因此，減少沿海富營養(yǎng)化和應(yīng)對全球變暖對于保護海草床的生態(tài)功能至關(guān)重要。

圖1、實驗裝置示意圖。(a)電機化微操縱器、O?、NO、N?O&H?S微電極、流動室、多通道微電極儀、電機控制器、光纖O?微傳感器、電腦、支持水族箱、光纖O?儀(b)空氣&N?、溫度控制。圖1a是一個完整的實驗裝置，包括電機化微操縱器、不同類型的微電極（用于測量O?、NO、N?O和H?S）、流動室、多通道微電極儀等。這些設(shè)備連接到電腦上，通過專用軟件進行數(shù)據(jù)采集和傳感器定位控制。圖1b展示了一個分體式流動室的設(shè)計，其中葉片放置在有流動的海水中，而根部則嵌入在人工沉積物中。這種設(shè)計允許同時測量葉片和根部的微環(huán)境。

圖2、O?、H?S、NO和N?O濃度的微剖面。在14°C（黑色）和24°C（紅色）下，海草葉表層微環(huán)境中的O?、H?S、NO和N?O濃度的微剖面。所有測量均在黑暗中進行，海水處于低氧狀態(tài)（約40%空氣飽和度，模擬現(xiàn)場夜間條件）。上、中、下三行分別代表3個生物學(xué)重復(fù)，每個重復(fù)都顯示了從葉片表面向內(nèi)的濃度變化。虛線表示附生生物膜的近似厚度。圖2展示了在兩種不同溫度（14°C和24°C）下，海草葉片微環(huán)境中的氧氣（O?）、硫化氫（H?S）、一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N?O）的濃度梯度。這些測量在黑暗和低氧條件下進行，以模擬夜間海草葉片微環(huán)境的自然條件。

圖3、NO、N?O和H?S的凈生產(chǎn)和排放。在14°C（黑色）和24°C（紅色）下，海草葉片-生物膜界面處的NO、N?O和H?S的凈生產(chǎn)（a）以及從海草葉表層向覆蓋水體的排放（b）。展示了在兩種溫度條件下，海草葉片生物膜界面處NO、N?O和H?S的凈生產(chǎn)和向覆蓋水體的排放。圖3a顯示了在葉片-生物膜界面處這些氣體的凈生產(chǎn)量，而圖3b則顯示了這些氣體從海草葉表層向周圍水體的排放量。圖中數(shù)據(jù)基于9個重復(fù)測量，誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。

圖4、海草基部葉分生組織中O?和NO濃度的動態(tài)變化。在水柱O?濃度從80%降至40%空氣飽和度期間，海草基部葉分生組織中O?（黑色符號）和NO（紅色符號）濃度隨時間的變化。背景顏色表示水柱中的O?濃度（以%空氣飽和度表示）。水溫保持在24°C。在水柱O?濃度從80%降至40%空氣飽和度的過程中，海草基部葉分生組織中O?和NO濃度的變化。圖中黑色符號表示O?濃度，紅色符號表示NO濃度。背景顏色表示水柱中的O?濃度。實驗過程中，水溫保持在24°C。圖中顯示了隨著時間的推移，O?濃度下降，而NO濃度上升，這表明NO從海草葉片微環(huán)境侵入到植物組織中。

結(jié)論與展望

海草葉片附生生物有可能減少海草夜間氧氣供應(yīng)，導(dǎo)致微生物產(chǎn)生溫室氣體和植物毒素，這些物質(zhì)可能對植物有害。然而目前尚不清楚全球變暖如何影響海草葉表層微環(huán)境中的厭氧過程，如反硝化和硫酸鹽還原。本論文使用電化學(xué)微傳感器測量了在黑暗條件下，被大量附生生物覆蓋的海草（Zostera marina L.）葉片微環(huán)境中的氧氣（O?）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的濃度梯度，并研究了溫度（14°C和24°C）對這些過程的影響。Unisense微電極被用于測量海草葉片微環(huán)境中的氧氣（O?）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的濃度梯度。通過高精度的濃度梯度測量，提供了關(guān)于溫度變化對海草葉片微環(huán)境中厭氧過程影響的詳細(xì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對于理解全球變暖對海草生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)隨著海水溫度的升高，海草葉表層微環(huán)境中的植物毒素H?S的生產(chǎn)和積累顯著增加，這可能會對海草造成傷害，因為H?S可以輕易地通過海草葉片薄的表皮擴散。此外海草葉表層微環(huán)境中還檢測到了NO的生產(chǎn)和N?O的排放，這兩種氣體在夜間黑暗條件下產(chǎn)生。溫度升高和水柱中氧氣供應(yīng)減少（例如，在富營養(yǎng)化水域中的海洋熱浪期間）可能會在海草葉表層微環(huán)境中引發(fā)有害的化學(xué)條件，這可能會對海草的性能和生態(tài)功能產(chǎn)生負(fù)面影響。與H?S相比，NO和N?O的動態(tài)對海水溫度升高的反應(yīng)有限，但附生生物覆蓋的海草葉片中的N?O生產(chǎn)和向周圍海水的排放可能會對海草床在溫室氣體平衡中的作用產(chǎn)生影響。