Effects of water flow and ocean acidification on oxygen and pH gradients in coral boundary layer  

水流和海洋酸化對(duì)珊瑚邊界層氧和pH梯度的影響  

來源：Scientific Reports, Volume 14, Article number: 12757 (2024)

《科學(xué)報(bào)告》，第14卷，文章編號(hào)12757（2024年）

 

摘要內(nèi)容：  

研究通過4個(gè)月預(yù)處理實(shí)驗(yàn)，探究水流（低流速2 cm/s vs 中流速6 cm/s）和海洋酸化（OA, pH 7.8）對(duì)三種造礁珊瑚（Acropora cytherea, Pocillopora verrucosa, Porites cylindrica）邊界層（CBL）的影響。使用微電極測(cè)量O?和H?梯度厚度、表面濃度變化及O?通量。結(jié)果表明：1）水流顯著影響CBL厚度，低流速使O?和H? CBL增厚；2）OA對(duì)CBL厚度影響微弱，但降低表面pH絕對(duì)值；3）物種間CBL特征差異顯著，A. cytherea的O? CBL最薄；4）H? CBL厚度普遍小于O? CBL，OA下表面pH緩沖能力有限。  

 

研究目的：  

量化長期海洋酸化與水流速度變化對(duì)珊瑚邊界層物理化學(xué)微環(huán)境的交互影響，評(píng)估CBL在緩解OA脅迫中的作用機(jī)制。  

 

研究思路：  

預(yù)處理設(shè)計(jì)：珊瑚斷枝在控制組（pH 8.0）和OA組（pH 7.8）中培養(yǎng)4個(gè)月，模擬長期酸化暴露。  

 

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：?jiǎn)蜗蛄髑皇抑袦y(cè)試低流速（2 cm/s）和中流速（6 cm/s），結(jié)合光照/黑暗條件。  

 

微電極測(cè)量：使用Unisense O?和pH微電極以高空間分辨率（O?: 25μm, pH: 75μm）測(cè)量CBL梯度（厚度、表面△O?/△pH、O?通量）。  

 

數(shù)據(jù)分析：線性混合效應(yīng)模型（LMM）解析物種、水流、OA、光暗條件的交互效應(yīng)。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義：  

O? CBL厚度（表2；圖1A）  

 

 

數(shù)據(jù)：低流速下增厚61-159%（物種差異顯著），OA僅使A. cytherea在低流速下增厚。  

 

意義：證實(shí)水流是CBL結(jié)構(gòu)的主控因子，OA效應(yīng)具物種特異性，反映珊瑚形態(tài)（如分枝結(jié)構(gòu)）對(duì)質(zhì)量傳遞效率的影響。  

H? CBL厚度（表2；圖1B）  

 

數(shù)據(jù)：普遍薄于O? CBL（<100μm），OA未顯著改變厚度。  

 

意義：H? CBL緩沖能力有限，珊瑚表面pH易受酸化海水直接影響。  

表面△O?/△pH（表2；圖2A,B）  

 

數(shù)據(jù)：△O?光照時(shí)正值（超飽和）、黑暗時(shí)負(fù)值；△pH光照微升（<0.1單位）、黑暗微降；低流速放大變化幅度。  

 

意義：揭示珊瑚代謝活動(dòng)驅(qū)動(dòng)表面微環(huán)境晝夜波動(dòng)，但OA未增強(qiáng)pH緩沖（與大型珊瑚研究相反）。  

O?通量（表2；圖2C）  

 

數(shù)據(jù)：中流速下通量更高，OA僅降低A. cytherea的通量（-23%）。  

 

意義：通量變化與CBL厚度負(fù)相關(guān)，OA可能通過增厚CBL限制A. cytherea的光合作用質(zhì)量傳遞。  

 

結(jié)論：  

水流是CBL結(jié)構(gòu)的核心驅(qū)動(dòng)力，低流速增厚CBL并放大表面化學(xué)梯度。  

 

OA對(duì)CBL厚度影響微弱，但降低表面pH絕對(duì)值，H? CBL緩沖能力有限（厚度<100μm）。  

 

物種差異顯著：A. cytherea對(duì)OA敏感（O?通量降低），P. verrucosa和P. cylindrica穩(wěn)定性強(qiáng)。  

 

珊瑚表面pH緩沖能力（如光照期pH提升）在OA下未增強(qiáng)，小水螅體珊瑚可能缺乏有效的微環(huán)境隔離機(jī)制。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

使用Unisense微電極（O?電極OX-25, pH電極pH-50）以高分辨率（亞毫米級(jí)）測(cè)量珊瑚-海水界面：  

揭示毫米級(jí)化學(xué)梯度：首次量化OA下珊瑚H? CBL厚度（平均94-107μm），發(fā)現(xiàn)其顯著薄于O? CBL（圖1），證明H?擴(kuò)散邊界層緩沖能力有限，珊瑚表面pH易受酸化海水直接影響。  

 

解析流動(dòng)-代謝耦合機(jī)制：捕捉到低流速下CBL增厚與表面△pH升高的關(guān)聯(lián)（圖2B），說明水流通過改變邊界層物理結(jié)構(gòu)調(diào)控珊瑚光合/呼吸產(chǎn)物的擴(kuò)散效率。  

 

驗(yàn)證OA時(shí)效性：4個(gè)月OA暴露后，CBL厚度保持穩(wěn)定（除A. cytherea在低流速下），但表面pH絕對(duì)值降低，證實(shí)長期酸化直接改變微環(huán)境化學(xué)基礎(chǔ)而非邊界層結(jié)構(gòu)。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與局限：  

 

優(yōu)勢(shì)：90%響應(yīng)時(shí)間<10秒，實(shí)現(xiàn)原位微尺度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；校準(zhǔn)后精度達(dá)0.01 pH單位。  

 

局限：離體測(cè)量可能擾動(dòng)微環(huán)境；復(fù)雜濃度剖面（7%案例）需特殊算法處理。  

生態(tài)啟示：微電極數(shù)據(jù)否定“CBL物理隔離緩解OA”假說，強(qiáng)調(diào)珊瑚內(nèi)部pH調(diào)節(jié)機(jī)制（如離子轉(zhuǎn)運(yùn)）的關(guān)鍵作用，為靶向生理干預(yù)提供依據(jù)。