標題：Ocean acidification stimulation of phytoplankton growth depends on the extent of departure from the optimal growth temperature  

海洋酸化對浮游植物生長的刺激取決于偏離最佳生長溫度的程度

來源：Marine Pollution Bulletin 177 (2022) 113510

 

摘要內容  

摘要闡述了海洋酸化和變暖作為兩大環境壓力源對浮游植物的影響，重點關注硅藻（如 Phaeodactylum tricornutum 和 Thalassiosira weissflogii）。研究通過實驗發現，高CO?（HC）對浮游植物生長的促進作用在最佳溫度時最顯著，但隨著溫度偏離最佳點（升高或降低），該促進作用逐漸減弱。在 P. tricornutum 的機制研究中，高CO?條件下細胞碳氮含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和呼吸速率較高，而PSII光化學參數較低，表明細胞需額外能量維持穩態并修復溫度脅迫損傷。摘要強調溫度是調節海洋酸化效應的關鍵因素，尤其在浮游植物生態響應中起決定性作用。

 

研究目的  

研究旨在探究溫度如何調節海洋酸化對硅藻生長的影響，具體目的包括：  

? 驗證假設：高CO?對生長的促進作用在最佳溫度時最顯著，在偏離最佳溫度時減弱。  

? 揭示潛在機制，如代謝平衡（碳固定與能量消耗）、氧化應激響應和元素組成變化。  

? 比較溫帶種（P. tricornutum）和熱帶種（T. weissflogii）的響應差異，以預測氣候變化下不同緯度浮游植物群落的適應性。

 

研究思路  

研究采用多因子實驗設計，結合生理生化分析：  

1. 實驗設置：培養兩種硅藻（P. tricornutum 和 T. weissflogii）于不同溫度梯度（P. tricornutum：12°C、16°C、20°C、24°C、26°C；T. weissflogii：12°C、16°C、20°C、24°C、28°C、32°C）和CO?水平（低CO?, LC：~400 μatm；高CO?, HC：1000 μatm）。培養條件通過CO?調控艙維持穩定碳酸鹽系統（pH波動<±0.05）。  

2. 參數測量：培養約20代后，測定生長率、光合參數、呼吸速率、元素組成（碳氮含量）和SOD活性。  

3. 數據分析：使用雙因素ANOVA檢驗溫度與CO?的交互效應，輔以Tukey事后檢驗（p<0.05）。  

4. 機制探究：通過整合光合-呼吸平衡和氧化應激數據，解析能量分配策略。  

 

測量數據及其研究意義  

研究測量了多維度數據，每項數據均來自文檔中的圖表，并具明確研究意義：  

? 生長率（specific growth rate）：  

來源：圖1a（P. tricornutum），圖5（T. weissflogii）。  

數據意義：量化溫度與CO?對生長速率的獨立及交互效應。結果顯示，高CO?在最佳溫度（P. tricornutum：20°C；T. weissflogii：28°C）顯著促進生長（P. tricornutum 增幅8.9%），但在偏離最佳點時效應減弱或轉為抑制（如 P. tricornutum 在26°C時降低31%）。意義在于證實溫度是調節海洋酸化效應的關鍵閾值因素。  

 

  

  

 

? PSII光合參數（Fv/Fm, rETR, α）：  

來源：圖1b,c,d（P. tricornutum）。  

數據意義：評估光化學效率對脅迫的敏感性。高CO?在最佳溫度（20°C）提升Fv/Fm和光利用效率（α增幅14.3%），但在12°C和26°C時顯著降低（α降幅達60.4%）。意義在于揭示光合系統在高低溫下對酸化的脆弱性，反映能量捕獲效率下降。  

 

? 光合與呼吸速率：  

來源：圖2a,b,c（P. tricornutum）。  

數據意義：高CO?在20°C–26°C顯著增加暗呼吸速率（p<0.05），但光合速率僅在26°C降低18.5%，導致光合/呼吸比（P/R）下降（26°C時降26.5%）。意義在于表明偏離最佳溫度時，高CO?迫使細胞分配更多能量至呼吸以維持穩態，減少碳固定。

 

? 細胞元素組成（POC, PON, PON/POC）：  

來源：圖3a,b,c（P. tricornutum）。  

數據意義：高CO?在20°C降低POC（32.2%）和PON（45.3%），但在12°C、24°C和26°C時增加POC和PON（如26°C時PON顯著上升）。PON/POC比在高溫下升高。意義在于反映偏離最佳溫度時，細胞需合成更多氮富集蛋白（如修復酶），以應對酸化疊加脅迫。    

 

? SOD活性：  

來源：圖4（P. tricornutum）。  

數據意義：高CO?在12°C和26°C顯著增加SOD活性（p<0.01），但在20°C降低。意義在于證實高低溫下酸化加劇氧化應激，細胞需增強抗氧化防御以修復損傷。  

 

? 碳酸鹽系統參數（pH, pCO?, TA, DIC等）：  

來源：表1（P. tricornutum）。  

數據意義：驗證實驗穩定性（pH波動<±0.05），顯示高CO?降低pH（~7.7 vs. ~8.0）和CO?2?，增加DIC和HCO??。溫度升高降低DIC和CO?但增加CO?2?。意義在于確保CO?處理的可靠性，并為代謝響應提供化學背景。  

 

丹麥Unisense微電極測量數據的詳細解讀  

研究使用丹麥Unisense的Clark-type O?電極（Clark-type O? electrode）測量光合作用（O?演化率）和暗呼吸（O?消耗率），數據體現在圖2a,b。該技術的核心研究意義如下：  

? 高分辨率能量平衡量化：Unisense電極直接測定O?通量（單位為μmol O?·g?1·h?1），提供實時、原位的光合-呼吸動態數據。結果顯示在高CO?條件下，尤其在偏離最佳溫度時（如26°C），暗呼吸速率顯著增加（圖2b），而光合速率下降（圖2a），導致P/R比降低（圖2c）。這直接證實細胞需額外能量（通過增強呼吸）維持酸堿穩態和修復損傷，抵消了高CO?可能節省的碳濃縮機制（CCM）能量。  

 

? 機制驗證的關鍵工具：與傳統間接方法（如熒光參數）相比，O?電極提供直接代謝速率數據，支持“能量權衡”假說。例如，在26°C高CO?下，呼吸增加26.5%（p<0.05），驗證了酸化加劇高溫脅迫的代謝成本。  

 

? 生態應用價值：該數據與生長率（圖1a）和元素組成（圖3）結合，闡明溫度如何通過調節能量分配改變酸化效應。在預測氣候變化情景下，Unisense電極的精準測量有助于建模浮游植物生產力對復合脅迫（酸化+變暖）的響應。  

 

結論  

研究得出以下核心結論：  

1. 溫度依賴性響應：海洋酸化（高CO?）對硅藻生長的促進作用在最佳溫度時最顯著（如 P. tricornutum 在20°C時生長率增加8.9%），但隨溫度偏離最佳點（升高或降低）而減弱或轉為抑制（如26°C時生長率降低31%）。這一模式在溫帶種（P. tricornutum）和熱帶種（T. weissflogii）中均成立（圖1a, 5）。  

 

2. 機制驅動：偏離最佳溫度時，高CO?迫使細胞增加呼吸和SOD活性（圖2b, 4），以維持胞內pH穩態并修復損傷，導致能量從生長轉向修復（P/R比下降，圖2c）。同時，元素組成變化（如高溫下PON增加，圖3b）反映氮富集蛋白合成需求上升。

  

3. 生態啟示：在變暖海洋中，熱帶物種可能面臨更大風險（因環境溫度遠離其最佳點），而溫帶物種可能因溫度趨近最佳點而受益于酸化（圖6）。研究強調，未來海洋酸化效應需結合溫度偏離度評估，對預測初級生產力和碳循環具重要意義。