海洋初級(jí)生產(chǎn)者浮游植物在海洋和全球碳循環(huán)中扮演著舉足輕重的角色，調(diào)節(jié)著全球氣候。氮是浮游植物生長(zhǎng)所必需的元素，其缺乏限制了全球面積一半以上海區(qū)的初級(jí)生產(chǎn)力。束毛藻是海洋生態(tài)系統(tǒng)中“新氮”的重要來源之一，可貢獻(xiàn)高達(dá)50%的全球海洋總固氮量，對(duì)海洋初級(jí)生產(chǎn)力以及碳、氮生物地球化學(xué)循環(huán)起著至關(guān)重要的影響。本論文研究了在束毛藻克隆體在不同的二氧分壓環(huán)境下的，其周圍分布環(huán)境的氧濃度分布、pH情況以及氮含量的變化。研究表明在高的二氧化碳分壓環(huán)境中導(dǎo)致的海水酸化顯著促進(jìn)了束毛藻生長(zhǎng)和固氮。

微電極的應(yīng)用

應(yīng)用了unisense氧微電極和pH微電極，所使用的氧微電極尖端直徑都為10微米、PH電極的尖端直徑都為100微米，所使用的電極都經(jīng)過了兩點(diǎn)矯正法獲取了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，其中的氧氣濃度以及pH是在定制通入的流動(dòng)海水的系統(tǒng)中，結(jié)合解剖顯微鏡測(cè)試束毛藻周圍環(huán)境剖面的氧氣濃度以及pH值，流動(dòng)系統(tǒng)中海水中一直鼓有二氧化碳?xì)怏w來獲得不同的二氧化碳分壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

微米級(jí)的束毛藻克隆體周圍區(qū)域的的氧濃度梯度和pH值的分布情況說明，當(dāng)束毛藻在光照環(huán)境和無(wú)光照環(huán)境下，束毛藻周圍的氧氣濃度和pH值的變化范圍較大，由于貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境區(qū)域內(nèi)能夠提供穩(wěn)定的環(huán)境束毛藻克隆體為其本身已經(jīng)其他相關(guān)的有機(jī)體提供了生理代謝上的靈活性，導(dǎo)致了單細(xì)胞態(tài)的束毛藻體內(nèi)的C、N的分布廣泛的差異性。

圖1、圖a,b分別表示的是束毛藻屬克隆體在有光和無(wú)光環(huán)境下的氧濃度剖面以及pH剖面分析圖。圖c表示的是在光照條件下，束毛藻表面的氧濃度，虛線表示的是水體環(huán)境中的氧氣濃度。圖d表示的是束毛藻克隆體在一天的不同時(shí)間段，光照環(huán)境下（空心圓點(diǎn)）、無(wú)光照環(huán)境（實(shí)心圓點(diǎn)）時(shí)氧氣濃度剖面圖。從圖A中可以看出，在無(wú)光照的環(huán)境下，體系的氧濃度是隨著垂直剖面的深度的增加先減小后變大，而在有光照的環(huán)境下，體系的氧濃度表現(xiàn)為相反的現(xiàn)象。pH的趨勢(shì)和氧濃度趨勢(shì)基本相同。

圖2、在不同二氧化碳分壓環(huán)境的水體環(huán)境中束毛藻克隆體周圍在光照環(huán)境和無(wú)光照環(huán)境下的溶氧濃度和pH值的變化情況。其中圖a表示的是pH值和質(zhì)子氫的濃度分布情況。圖b表示的是氧濃度的分布情況。圖c表示的是是束毛藻克隆體中心區(qū)域的氧濃度分布情況。從圖中可以看出，在常規(guī)環(huán)境的二氧化碳分壓下，束毛藻在光照條件下克隆體周圍的pH濃度大約為8-8.5，而在無(wú)光照條件下，其pH下降至7.5-8.0之間。二氧化碳分壓濃度值較高時(shí)，束毛藻環(huán)境周圍的pH在光照條件下的pH值較大，大約為7.6-8.3之間，而在無(wú)光照環(huán)境條件下，其pH降至7.2-7.6之間。

圖3、使用LG-SIMS(正方形點(diǎn)，二次離子質(zhì)譜分析儀)和Nano-SIMS（圓形，納米離子探針型離子質(zhì)譜分析儀）對(duì)束毛藻單體以及其伴生細(xì)菌體內(nèi)的13C和15N跟蹤標(biāo)記圖。不同顏色的點(diǎn)代表的是所取的不同束毛藻單體以及在不同的二氧化碳分壓環(huán)境下的使用SIMS分析的C以及N的豐度含量分析。

總結(jié)

海洋酸化將怎樣影響束毛藻的固氮作用，其碳、氮生物地球化學(xué)效應(yīng)和氣候效應(yīng)如何，是國(guó)際海洋全球變化研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。本論文研究了束毛藻在不同的二氧化碳分壓下，其束毛藻附近的氧濃度變化及pH和束毛藻中固氮的效果影響。高分壓的二氧化碳導(dǎo)致海水的酸化，從而促進(jìn)束毛藻固氮作用的。論文研究過程中使用了unisense氧氣微電極和pH微電極結(jié)合解剖顯微鏡測(cè)試了束毛藻周圍環(huán)境的氧氣濃度剖面分析及pH變化，這說明unisense微電極系統(tǒng)在研究海洋微藻生物領(lǐng)域存在著非常廣的應(yīng)用前景。