Resilience of recruiting seagrass (Thalassia testudinum) to porewater H?S in Florida Bay

佛羅里達灣海草對孔隙水 H 2 S 的恢復能力

來源：Aquatic Botany 187 (2023) 103650

 

1. 摘要核心內容

 

研究對象：熱帶海草 Thalassia testudinum（海龜草）在佛羅里達灣高硫化氫（H?S）沉積物中的幼苗定植能力。

核心發現：

幼苗抗H?S機制：幼苗通過（1）白天高效光合產氧、（2）夜間水柱擴散供氧（潮汐輔助）、（3）根系發育延遲限制微生物產H?S，抵抗沉積物H?S脅迫。

組織硫同位素（δ3?S）：裸沙定植幼苗組織δ3?S值顯著高于成熟草甸（圖2a），表明其H?S暴露水平更低。

內部氣體動態：Unisense微電極數據顯示，幼苗分生組織夜間缺氧時間長于葉片（5:08 h vs 1:23 h），但未檢測到H?S積累（表5）。

結論：T. testudinum 幼苗可通過生理與發育策略在高H?S環境中成功定植，但草甸完全恢復需十年以上。

 

 

 

2. 研究目的

 

探究沉積物H?S是否限制 T. testudinum 幼苗向裸沙區域定植。

評估幼苗組織H?S暴露程度及內部O?/H?S動態。

揭示幼苗在極端環境（高H?S、缺氧）中的生存策略。

 

3. 研究思路

 

場地選擇：佛羅里達灣Johnson Key（圖1a），該區域因歷史性海草死亡事件形成大片裸沙區。

樣本設計：對比三種生境：

裸沙定植幼苗（圖1b）

Halodule wrightii 草甸中的幼苗（圖1c）

成熟 T. testudinum 草甸（圖1d）

方法組合：

穩定硫同位素（δ3?S）：分析葉、分生組織、根莖、根組織硫源（圖2）。

Unisense微電極：實時監測葉片/分生組織O?與H?S動態（圖5）。

環境參數：沉積物孔隙水H?S、水柱O?、光照、溫度等。

 

 

 

4. 測量數據及其意義

關鍵數據與來源

數據類型 來源圖表 研究意義

組織δ3?S與總硫含量 圖2a-b 裸沙幼苗δ3?S更高（葉：+25‰，根莖：+50%），表明其H?S暴露低于草甸植株，根系發育延遲減少硫侵入。

根系發育 表1 裸沙幼苗70%無根，根生物量比草甸低6倍，限制產H?S微生物群落。

葉片/分生組織O?動態 圖5、表5 幼苗葉片日間O?峰壓達40 kPa（海水飽和值2倍），分生組織夜間缺氧時間長（5.1 h），但無H?S積累。

O?變化速率 表5 幼苗葉片O?上升速率（7 kPa/h）與草甸相當，但分生組織O?夜間下降更快（-2.19 kPa/h）。

水柱O?與潮汐關聯 圖6 夜間漲潮提升水柱O?（>7 kPa），通過葉片擴散補充內部O?，緩解分生組織缺氧。

 

 

 

 

 

 

5. 核心結論

 

幼苗抗H?S機制：

日間氧化：高效光合在分生組織維持高O?（25 kPa），抑制H?S入侵。

夜間潮汐輔助：水柱O?通過葉片擴散（圖6），抵消夜間缺氧風險。

根系策略：延遲根系發育減少沉積物微生物產H?S（表1）。

恢復潛力：幼苗可在高H?S裸沙定植，但草甸完全恢復需>10年。

管理意義：保護潮汐動態與水質是支持海草恢復的關鍵。

 

 

6. Unisense電極數據的深度解讀

測量方法

 

技術：Unisense O?/H?S微電極插入葉片和分生組織（175 μm深度），同步記錄光照、溫度、水柱O?。

校準：

O?電極：100%飽和海水 vs 無氧抗壞血酸溶液兩點校準。

H?S電極：0–1000 μM Na?S梯度校準（pH=7.5確保H?S形態）。

創新點：首次在野外實時量化幼苗內部O?/H?S動態，揭示潮汐對內部氧化的調控作用。

 

關鍵結果（圖5, 表5）

 

日間O?動態：

葉片O?在光照后20分鐘內快速上升（7 kPa/h），峰壓達40 kPa（圖5）。

分生組織O?上升滯后1.7小時，峰壓為葉片的60%（25 kPa），但仍足以抑制H?S積累。

夜間風險：

分生組織夜間缺氧（<1.5 kPa）持續5.1小時（表5），但未檢測到H?S。

葉片O?通過水柱擴散維持（3–10 kPa），漲潮時提升50%（圖6）。

H?S檢測：所有監測中分生組織H?S=0，印證δ3?S顯示的低暴露。

 

研究意義

 

機制驗證：直接證明幼苗通過“O?緩沖區”抵御H?S，挑戰傳統“高H?S限制恢復”假說。

潮汐作用：揭示水柱O?夜間通過葉片擴散是內部氧化的關鍵途徑（圖6）。

恢復策略：幼苗根系延遲發育是適應性策略（非缺陷），為海草修復提供新視角——優先保護幼苗定植期環境穩定。

技術優勢：Unisense的高時空分辨率捕捉O?脈沖變化（如晨間快速上升），這是破壞性采樣無法實現的。

 

總結

 

本研究通過整合Unisense微電極、δ3?S同位素和發育生物學方法，揭示 T. testudinum 幼苗在高H?S環境中的三重抗性機制：日間光合產氧、夜間潮汐供氧、根系發育延遲。Unisense數據為核心結論提供直接證據——盡管分生組織夜間長期缺氧，但高效氧化和潮汐輔助阻止H?S積累。該研究為海草生態修復提供了關鍵生理依據：維持水柱O?和自然潮汐動態比直接降低沉積物H?S更為重要。