標題：Effects of Epiphytic Biofilm Activity on the Photosynthetic Activity, pH and Inorganic Carbon Microenvironment of Seagrass Leaves (Zostera marina L.)  

附生生物膜活性對海草葉光合活性、pH 值和無機碳微環境 （Zostera marina L.） 的影響

來源：期刊 Frontiers in Marine Science，發表日期 2022年5月10日

摘要核心內容

 

本研究通過微傳感器技術，探究了附生生物膜對海草（Zostera marina）葉片光合作用、pH和無機碳微環境的影響。關鍵發現包括：  

1. 生物膜活性主導氧氣產生：在光照下，活性生物膜（含微生物群落）的葉片O?通量是惰性生物膜（人工無菌瓊脂層）的3.2倍，表明生物膜光合作用貢獻了葉片微環境中大部分O?。  

2. 生物膜誘導強堿化：活性生物膜使葉面pH升至8.9（光照下），遠高于惰性生物膜（pH 8.2）和裸露葉片（pH 7.9），加劇CO?限制。  

3. 無機碳利用轉變：活性生物膜下，葉面CO?濃度降至0.1 μmol L?1（惰性膜下為9.7 μmol L?1），迫使海草依賴HCO??（占碳通量97%）進行光合作用，增加能量消耗。  

4. 擴散屏障與生物活性協同作用：生物膜厚度增加擴散距離（TDD=710 μm），但其微生物活動是驅動微環境變化（高O?、高pH、低CO?）的主因。  

 

研究目的

 

1. 區分生物膜作用機制：量化附生生物膜的微生物活性（如光合/呼吸）與物理擴散屏障效應對海草葉片微環境的獨立貢獻。  

2. 闡明碳限制機制：揭示生物膜如何通過改變pH和無機碳形態（CO? vs. HCO??）影響海草光合效率。  

3. 評估生態影響：為富營養化海域中海草衰退（因生物膜過度生長）提供機制解釋。  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

活性生物膜：天然附生生物膜覆蓋的海草葉片。  

 

惰性生物膜：用無菌瓊脂層模擬生物膜厚度（無微生物活性），僅保留擴散屏障效應。  

 

對照組：裸露葉片（無生物膜）、生物膜移除后的葉片。  

 

2. 微環境監測：  

使用丹麥Unisense微電極（O?和pH傳感器）原位測量葉片表面O?濃度、pH梯度及擴散邊界層（DBL）。  

 

結合總無機碳（DIC）數據，計算CO?和HCO??濃度與通量。  

 

3. 條件對比：  

光照（230 μmol photons m?2 s?1） vs. 黑暗。  

 

測量位置：生物膜-水界面、葉片-生物膜界面。  

 

4. 數據分析：  

通量計算（Fick擴散定律）、統計檢驗（t檢驗）比較不同處理間的O?/碳通量差異。  

 

測量數據及其研究意義

1. O?濃度與通量（圖2、圖6A；表1）

 

 數據：  

 

光照下，活性生物膜葉面O?濃度達552 μmol L?1（惰性膜：363 μmol L?1）。  

 

O?通量：活性膜（300 nmol cm?2 h?1） > 惰性膜（81 nmol cm?2 h?1）。  

 

 意義：生物膜微生物光合作用是O?主要來源（貢獻69%），其活性加劇葉片超氧環境，可能促進光呼吸。  

 

2. pH梯度（圖3；表1）

 

 數據：活性生物膜使葉面pH升至8.9（惰性膜：8.2），黑暗時降至7.6。  

 

 意義：生物膜光合作用消耗CO?導致強堿化，推動碳酸平衡向HCO??移動，限制CO?可用性。  

 

3. 無機碳形態與通量（圖4、5、6B-D；表1）

 

 

 數據：  

 

活性膜葉面CO?濃度僅0.1 μmol L?1（惰性膜：9.7 μmol L?1）。  

 

HCO??通量占比：活性膜（97%） > 惰性膜（91%）。  

 

總碳通量：活性膜（234 nmol cm?2 h?1） > 惰性膜（51 nmol cm?2 h?1）。  

 

 意義：生物膜活動迫使海草依賴HCO??（高能耗過程），降低光合效率；CO?限制（葉面濃度<1 μmol L?1）是光合作用主要瓶頸。  

 

4. 擴散距離（TDD）（圖2-5）

 

 數據：生物膜增加TDD至710 μm（裸露葉片：90 μm）。  

 

 意義：物理屏障延緩氣體交換，但生物活性（非僅厚度）是驅動微環境變化的主因。  

 

Unisense微電極數據的詳細解讀

 

技術原理與應用

 

 傳感器類型：  

 

O?微電極（OX-25）：Clark型，尖端25 μm，響應時間<1秒，空間分辨率達微米級。  

 

pH微電極（pH-100）：尖端100 μm，敏感玻璃長度150-250 μm，需結合參比電極（REF-RM）。  

 

 校準：  

 

O?電極：線性校準（空氣飽和海水 vs. 無氧溶液）。  

 

pH電極：多點校準（pH 4/7/10緩沖液）。  

 

 測量流程：  

 

  1. 微電極固定于電動微操縱器，精確定位至葉片表面。  

  2. 步進式（2 μm步長）垂直剖面測量，穩態下記錄O?/pH梯度（光照/黑暗各>30分鐘平衡）。  

 

研究意義

 

1. 高分辨率原位監測：  

直接捕捉生物膜-葉片界面的O?/pH動態（如光照下O?躍升至552 μmol L?1），克服傳統破壞性采樣局限。  

 

2. 量化微生物活性貢獻：  

對比活性/惰性生物膜，明確微生物光合作用主導O?產生（圖6A）和堿化（圖3）。  

 

3. 揭示碳限制機制：  

pH微剖面數據計算CO?/HCO??濃度（圖4、5），證實活性生物膜使葉面CO?近乎耗盡（0.1 μmol L?1），解釋海草為何依賴高能耗的HCO??利用。  

 

4. 支撐生態模型：  

提供關鍵參數（如CO?通量僅占O?通量3%），優化海草光合-碳限制模型。  

 

結論

 

1. 生物膜活性是微環境變化主因：微生物光合作用（非僅物理屏障）導致葉面超氧（O?↑）、強堿化（pH↑）和CO?枯竭（CO?↓），迫使海草依賴HCO??進行光合作用，增加能量消耗。  

2. 雙重負面效應：  

短期：CO?限制與高光呼吸降低光合效率。  

 

長期：富營養化海域中生物膜過度生長威脅海草健康，加劇生態系統衰退。  

 

3. 管理啟示：控制富營養化以減少生物膜過度增殖，是保護海草床的關鍵策略。  

 

核心貢獻：首次量化生物膜微生物活性與物理屏障對海草微環境的獨立影響，為海草衰退機制提供高分辨率實證。