Strong leaf surface basification and CO2 limitation of seagrass induced by epiphytic biofilm microenvironments

附生生物膜微環(huán)境導(dǎo)致的海草葉片表面強烈堿化和CO2限制

來源: Plant, Cell & Environment Volume 43,2020, Pages 174-187

《植物、細(xì)胞與環(huán)境》第43卷，2020年，第174-187頁

 

摘要

摘要闡述了沿海富營養(yǎng)化導(dǎo)致海草（Zostera marina L.）葉片附生生物膜過度生長的問題。本研究使用電化學(xué)微傳感器測量了有無附生生物膜覆蓋的海草葉片表面的O2、pH和CO2微梯度，以確定附生生物膜對葉片化學(xué)微環(huán)境的影響。結(jié)果表明，附生生物膜導(dǎo)致葉片表面pH、O2和無機碳濃度出現(xiàn)極端的晝夜波動，嚴(yán)重阻礙了植物的性能。在光照下，葉片附生生物膜及其擴散邊界層導(dǎo)致強烈的堿化，顯著降低了葉片表面的CO2和HCO3-可用性，從而導(dǎo)致碳限制和光呼吸增強，降低了光合效率。有附生生物膜時，葉片表面pH升高至>10，超過了主動光合作用的最終pH水平（~9.62）和CO2補償點。在黑暗中，附生生物膜導(dǎo)致葉片表面CO2增加和缺氧。由于強烈的葉圈堿化導(dǎo)致CO2耗盡以及代價高昂且有限的HCO3-利用，附生生物膜可導(dǎo)致海草嚴(yán)重的碳限制，增加了植物饑餓的風(fēng)險。

 

研究目的

本研究旨在探究附生生物膜如何影響海草（大葉藻 Zostera marina L.）葉圈（phyllosphere）的關(guān)鍵物理化學(xué)條件和過程，特別是其對葉片微環(huán)境的pH、O2和無機碳（CO2, HCO3-）可用性的影響，以及由此引發(fā)的對海草光合作用和呼吸作用的生理生態(tài)效應(yīng)。

 

研究思路

1.  從丹麥沿海采集帶有和不帶（作為空白對照）附生生物膜的大葉藻樣本。

2.  在實驗室定制的水流培養(yǎng)槽中，將海草葉片水平放置，并維持恒定的海水流速、溫度和鹽度。

3.  使用丹麥Unisense公司的微傳感器（O2、pH、CO2微傳感器）在受控光照條件（0, 30, 300 μmol photons·m-2·s-1）下，測量從主體水體到海草葉片表面的垂直微梯度剖面。

4.  根據(jù)測量的高分辨率pH和CO2濃度剖面，計算HCO3-的濃度剖面。

5.  根據(jù)濃度梯度，使用菲克第一擴散定律計算O2、CO2和HCO3-的通量。

6.  使用pH漂移實驗確定海草的最終pH和CO2補償點。

7.  對比分析有和無附生生物膜的葉片在所有測量參數(shù)上的差異，并建立擴散距離（附生生物膜+擴散邊界層厚度）與葉片表面化學(xué)條件的關(guān)系。

8.  綜合所有數(shù)據(jù)，解釋附生生物膜如何通過改變?nèi)~圈微環(huán)境來影響海草的碳獲取和光合性能。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  氧氣（O2）濃度微梯度（圖2, 表1）：測量了從水體到葉片表面的O2濃度變化。研究意義：揭示了附生生物膜顯著增加了溶質(zhì)總擴散距離（TDD），阻礙了氣體交換。在黑暗中減少了O2向葉片內(nèi)部的擴散，影響海草內(nèi)部組織通氣；在光照下導(dǎo)致葉片表面O2大量積累，可能促進(jìn)光呼吸。

 

 

2.  酸堿度（pH）微梯度（圖2, 表1）：測量了從水體到葉片表面的pH變化。研究意義：直接證明了附生生物膜在光照下引起葉片表面強烈堿化（pH > 10），而在黑暗中引起酸化。這種pH變化是導(dǎo)致無機碳形態(tài)改變和可用性降低的直接原因。

3.  二氧化碳（CO2）濃度微梯度（圖2, 表1）：首次直接測量了海草葉片表面的CO2濃度動態(tài)。研究意義：顯示附生生物膜在光照下導(dǎo)致葉片表面CO2幾乎完全耗盡（~0 μM），低于海草的CO2補償點，造成嚴(yán)重的碳限制；在黑暗中則因呼吸作用導(dǎo)致CO2積累。

4.  碳酸氫根（HCO3-）濃度估算梯度（圖2, 表1）：基于測量的pH和CO2數(shù)據(jù)計算得出。研究意義：表明在光照下，附生生物膜覆蓋的葉片表面HCO3-濃度也顯著降低，但海草增加了對HCO3-的利用來彌補CO2的不足，不過這過程消耗更多能量。

5.  氣體通量（O2, CO2, HCO3-）（表1）：計算了通過葉片表面的凈氣體交換通量。研究意義：量化了附生生物膜導(dǎo)致的光合作用（O2產(chǎn)生、CO2吸收）和呼吸作用（O2消耗、CO2釋放）的速率變化，顯示光合效率顯著下降。

6.  最終pH和CO2補償點（表2）：通過pH漂移實驗測定。研究意義：確定了該種海草利用HCO3-的能力（最終pH > 9）和維持光合作用所需的最低CO2濃度（~0.6 μM），為解釋微傳感器數(shù)據(jù)提供了關(guān)鍵的生理閾值。

 

7.  葉片表面微環(huán)境動態(tài)范圍（圖4, 表3）：總結(jié)了有/無附生生物膜時葉片表面O2、pH、CO2、HCO3-濃度的晝夜變化范圍。研究意義：突出顯示了附生生物膜導(dǎo)致葉片微環(huán)境的化學(xué)條件出現(xiàn)極端波動，遠(yuǎn)超無附生生物膜的葉片。

 

 

8.  擴散距離與化學(xué)參數(shù)的關(guān)系（圖5）：分析了總擴散距離（TDD）與葉片表面pH、CO2、HCO3-濃度的關(guān)系。研究意義：證明附生生物膜的厚度是驅(qū)動葉圈堿化和碳限制程度的主要因素，建立了生物物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)微環(huán)境之間的定量關(guān)系。

 

結(jié)論

1.  附生生物膜通過增加擴散邊界層和自身的厚度，顯著阻礙了海草葉片與周圍水體之間的物質(zhì)交換。

2.  在光照下，附生生物膜和海草的光合作用共同導(dǎo)致葉片表面微環(huán)境發(fā)生強烈堿化（pH可達(dá)10以上），引起碳酸鹽體系 speciation 向CO32-轉(zhuǎn)變，致使葉片表面的CO2幾乎耗盡，HCO3-濃度也顯著降低，導(dǎo)致海草遭受嚴(yán)重的無機碳限制。

3.  海草雖然能利用HCO3-作為替代碳源，但效率低于CO2且能量成本更高。附生生物膜自身的光合作用還會與海草競爭無機碳。

4.  葉片表面的極端高pH和低CO2水平超過了海草的最終pH和CO2補償點，直接抑制了其光合作用效率。

5.  在黑暗中，附生生物膜及其呼吸作用導(dǎo)致葉片表面缺氧和CO2積累，減少了O2向葉片內(nèi)部的擴散，損害了海草的夜間內(nèi)部組織通氣。

6.  沿海富營養(yǎng)化引發(fā)的附生生物膜過度生長，通過造成海草碳限制和內(nèi)部缺氧，嚴(yán)重威脅海草床的健康和生存。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的微傳感器（包括O2、pH和新型Clark型CO2微傳感器）進(jìn)行測量，在本研究中具有至關(guān)重要的研究意義：

1.  高空間分辨率：這些微傳感器的尖端直徑極小（O2約10μm，pH約50μm，CO2約20-100μm），使其能夠精確測量葉片表面及其附生生物膜內(nèi)極薄層（微米級）中的化學(xué)梯度。這是傳統(tǒng)宏觀采樣方法無法實現(xiàn)的，揭示了此前難以觀察到的微尺度物理化學(xué)過程。

2.  實時原位測量：微傳感器能夠在接近自然狀態(tài)的條件下（在流動海水中，受控光照下）對活體樣本進(jìn)行原位實時測量，避免了固定、提取等操作對微環(huán)境造成的擾動，保證了數(shù)據(jù)的真實性和準(zhǔn)確性。

3.  首次直接測量海草葉圈CO2：本研究采用的新型CO2微傳感器，提供了對海草葉片表面CO2濃度的首次直接測量數(shù)據(jù)（而非常見的估算值），這為了解海草光合作用的碳限制提供了最直接、可靠的證據(jù)，證實了CO2在附生生物膜覆蓋的葉片表面光照下幾乎耗盡的極端情況。

4.  量化通量和過程速率：通過測量得到的濃度梯度剖面，可以應(yīng)用菲克擴散定律計算O2、CO2和HCO3-的實際通量，從而定量評估附生生物膜對海草光合作用和呼吸作用速率的影響，將微生物膜的結(jié)構(gòu)特征（厚度）與植物的生理功能（氣體交換）直接聯(lián)系起來。

5.  揭示機制與驗證假說：高精度的微傳感器數(shù)據(jù)使得研究人員能夠明確區(qū)分和驗證不同機制的作用。例如，通過同時測量pH和CO2，清晰地揭示了是生物膜引起的堿化（pH升高）導(dǎo)致了CO2的化學(xué)消耗（ speciation 轉(zhuǎn)變），而非簡單的生物消耗，并證實了由此產(chǎn)生的碳限制是光合效率下降的關(guān)鍵原因。

總之，Unisense微傳感器的使用是本研究的核心技術(shù)支撐，其提供的高分辨率、原位、多參數(shù)同步測量數(shù)據(jù)，是揭示附生生物膜通過改變?nèi)~圈微環(huán)境物理化學(xué)條件進(jìn)而影響海草生理生態(tài)這一核心機制的關(guān)鍵。