Effects of elevated temperature on microbial breakdown of seagrass leaf and tea litter biomass

升溫對(duì)海草葉片和茶葉凋落物生物量微生物分解的影響

來(lái)源: Biogeochemistry, Volume 151, 2020, Pages 171-185

《生物地球化學(xué)》第151卷，2020年，第171-185頁(yè)

 

摘要

摘要闡述了海草生態(tài)系統(tǒng)是全球重要的“藍(lán)碳”匯，但存在一種擔(dān)憂(yōu)，即如果海洋溫度升高加速微生物分解，這種固碳能力將會(huì)下降。植物凋落物的分解是全球碳循環(huán)的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程，它影響著可用于封存的碳量。本研究追蹤了不同化學(xué)穩(wěn)定性（路易波士茶 > 海草葉片 > 綠茶）的標(biāo)準(zhǔn)化和自然凋落物的分解過(guò)程，并結(jié)合高靈敏度微傳感器技術(shù)，旨在測(cè)試：(a) 升高的水溫如何影響短期的微生物周轉(zhuǎn)；(b) 提供關(guān)于茶葉凋落物與自然凋落物分解動(dòng)態(tài)比較的新信息。研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高（+5-10°C）促進(jìn)了所有基質(zhì)（凋落物）的微生物活性，表現(xiàn)為分解增強(qiáng)、耗氧量和硫酸鹽還原增加。在一個(gè)月的實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，綠茶凋落物對(duì)溫度升高表現(xiàn)出快速的Q10響應(yīng)，迅速耗盡了微生物可利用的資源；而路易波士茶和海草凋落物的響應(yīng)在實(shí)驗(yàn)后期變得更為明顯。結(jié)果表明，茶葉凋落物捕捉了一系列分解特性，可以使用傳統(tǒng)的指數(shù)衰減模型與自然凋落物進(jìn)行比較。溫度驅(qū)動(dòng)下有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)的增強(qiáng)（即使在缺氧條件下）突顯了新鮮凋落物在分解早期對(duì)微生物攻擊的脆弱性，以及在未來(lái)氣候條件下藍(lán)碳積累速率可能被削弱。

 

研究目的

本研究旨在探究升高的水溫如何影響海草土壤中凋落物的短期微生物分解，并測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化茶葉凋落物（綠茶和路易波士茶）作為不同穩(wěn)定性天然植物凋落物（此處為海草葉片）分解代理的有效性。具體目的是：(a) 量化溫度升高對(duì)短期分解速率和微生物代謝（耗氧、硫酸鹽還原）的影響；(b) 比較標(biāo)準(zhǔn)化茶葉凋落物與天然海草凋落物的分解動(dòng)態(tài)，以評(píng)估其作為藍(lán)碳分解研究代理工具的潛力。

 

研究思路

1.  實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在實(shí)驗(yàn)室受控條件下進(jìn)行短期（1個(gè)月）分解實(shí)驗(yàn)。設(shè)置三個(gè)溫度梯度（22°C, 27°C, 32°C）模擬夏季溫度變化，并使用兩種標(biāo)準(zhǔn)化茶葉凋落物（易分解的綠茶、難分解的路易波士茶）和一種天然海草（Zostera muelleri）葉片凋落物作為底物。

2.  樣品制備與培養(yǎng)：將凋落物與海草土壤混合成漿狀，置于培養(yǎng)盤(pán)中，完全浸沒(méi)在控制鹽度（25）的海水中，分別在不同溫度的恒溫水族箱中培養(yǎng)。

3.  測(cè)量與監(jiān)測(cè)：

    a.  分解速率：在不同時(shí)間點(diǎn)（如3-5天、1周、2周、1個(gè)月）取樣，清洗、干燥并稱(chēng)重，計(jì)算剩余質(zhì)量比例和指數(shù)衰減速率（k）。

    b.  微生物代謝：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（O2, H2S, pH微傳感器）在實(shí)驗(yàn)早期（3-5天）和后期（28-29天）對(duì)培養(yǎng)樣品進(jìn)行垂直微剖面測(cè)量，計(jì)算擴(kuò)散氧吸收速率（DOU）、體積比耗氧速率（R）和總硫化物通量（代表硫酸鹽還原速率）。

4.  數(shù)據(jù)分析：使用方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)底物和溫度對(duì)剩余質(zhì)量和微生物通量的影響。使用指數(shù)衰減模型（單指數(shù)和雙指數(shù)）擬合分解數(shù)據(jù)。通過(guò)線(xiàn)性回歸分析溫度對(duì)微生物響應(yīng)變量的影響。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  剩余質(zhì)量比例與分解速率（k）（圖2, 圖3）：測(cè)量了不同時(shí)間點(diǎn)各凋落物的干重剩余比例，并計(jì)算了指數(shù)衰減常數(shù)k。研究意義：直接量化了溫度升高對(duì)不同穩(wěn)定性凋落物分解速率的影響。結(jié)果顯示綠茶分解最快，海草次之，路易波士茶最慢；升溫（尤其是32°C）顯著促進(jìn)了所有凋落物的質(zhì)量損失，但這種效應(yīng)在時(shí)間上和程度上因底物穩(wěn)定性而異（如綠茶早期響應(yīng)快，路易波士茶和海草后期響應(yīng)更明顯）。

 

 

 

2.  氧氣（O2）微剖面與通量（圖4, 圖5, 圖6a-i）：使用O2微電極測(cè)量了沉積物-水界面的O2濃度梯度，計(jì)算了擴(kuò)散氧吸收速率（DOU）和體積比耗氧速率（R）。研究意義：揭示了分解過(guò)程中的好氧微生物代謝活性。數(shù)據(jù)顯示，綠茶在分解早期耗氧速率最高，且升溫（至27°C）進(jìn)一步增強(qiáng)了耗氧活性；表明易分解底物和高溫共同刺激了好氧呼吸。

 

 

 

3.  總硫化物（H2S）微剖面與通量（圖4, 圖5, 圖6j-l）：使用H2S微電極測(cè)量了硫化物的濃度梯度，計(jì)算了總硫化物通量（作為硫酸鹽還原速率的估計(jì)）。研究意義：揭示了分解過(guò)程中的厭氧微生物代謝（硫酸鹽還原）活性。數(shù)據(jù)顯示，茶葉凋落物（尤其是早期）的硫酸鹽還原速率顯著高于海草凋落物和對(duì)照組沉積物；表明易分解的茶葉浸出物強(qiáng)烈刺激了厭氧代謝，即使在整體淹水條件下。

4.  pH微剖面（方法部分提及）：使用pH微電極進(jìn)行了測(cè)量（雖未在結(jié)果圖中重點(diǎn)展示）。研究意義：有助于理解硫酸鹽還原等代謝過(guò)程對(duì)局部微環(huán)境酸堿度的影響，從而更全面地解釋生物地球化學(xué)過(guò)程。

 

結(jié)論

1.  凋落物基質(zhì)（化學(xué)穩(wěn)定性）是驅(qū)動(dòng)分解動(dòng)態(tài)的最主要因素。易分解的綠茶凋落物分解最快，難分解的路易波士茶最慢，海草葉片凋落物介于兩者之間，其化學(xué)組成更接近綠茶但分解速率稍慢。

2.  溫度升高（最高至32°C）顯著增強(qiáng)了所有凋落物基質(zhì)的微生物分解（質(zhì)量損失）和代謝活性（耗氧和硫酸鹽還原）。但這種增強(qiáng)效應(yīng)因底物和分解階段而異：對(duì)易分解的綠茶，升溫效應(yīng)在早期浸出階段最為明顯；對(duì)較難分解的路易波士茶和海草，升溫效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)后期（1個(gè)月時(shí)）才通過(guò)顯著減少剩余質(zhì)量體現(xiàn)出來(lái)。

3.  標(biāo)準(zhǔn)化茶葉凋落物（綠茶和路易波士茶）能夠有效捕捉一系列分解特性，代表了從易分解到難分解的連續(xù)譜，可作為研究藍(lán)碳分解過(guò)程有用的代理物，并與自然凋落物使用相同的指數(shù)衰減模型進(jìn)行比較。

4.  升溫驅(qū)動(dòng)的有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)加速（包括好氧和厭氧途徑）表明，在未來(lái)氣候變暖情境下，藍(lán)碳生態(tài)系統(tǒng)中的新鮮凋落物在分解早期將更易被微生物快速分解，這可能削弱長(zhǎng)期的碳積累潛力，導(dǎo)致藍(lán)碳匯功能減弱。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的微電極（Clark型O2微電極、H2S微電極和pH微電極）進(jìn)行的測(cè)量具有關(guān)鍵的研究意義：

1.  提供高分辨率原位數(shù)據(jù)：Unisense微電極能夠以毫米甚至亞毫米級(jí)的分辨率，原位、實(shí)時(shí)地測(cè)量沉積物凋落物漿中O2和H2S的垂直濃度梯度。這種高空間分辨率對(duì)于揭示分解界面附近劇烈的化學(xué)梯度以及好氧/厭氧代謝熱點(diǎn)至關(guān)重要，是傳統(tǒng)批量取樣測(cè)量無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2.  量化關(guān)鍵微生物代謝過(guò)程：基于菲克擴(kuò)散定律，通過(guò)濃度梯度計(jì)算出的DOU（擴(kuò)散氧吸收速率）和硫化物通量，直接定量化了與分解相關(guān)的好氧呼吸和硫酸鹽還原這兩個(gè)關(guān)鍵微生物代謝過(guò)程的速率。這使我們能夠超越簡(jiǎn)單的質(zhì)量損失測(cè)量，直接探究驅(qū)動(dòng)分解的微生物機(jī)制。

3.  揭示溫度影響的微觀(guān)機(jī)制：微傳感器數(shù)據(jù)清晰地顯示，升溫如何差異化地刺激了不同凋落物的微生物代謝。例如，它揭示了綠茶在27°C下耗氧速率最高，以及在所有茶葉凋落物中早期硫酸鹽還原速率顯著升高。這表明Unisense電極能夠捕捉到溫度對(duì)微生物生理活動(dòng)的即時(shí)、靈敏的效應(yīng)，解釋了為何質(zhì)量損失會(huì)加速。

4.  證明厭氧分解的貢獻(xiàn)：即使在完全浸水的條件下，H2S微電極測(cè)量的顯著硫化物通量證明，厭氧分解（硫酸鹽還原） 是凋落物分解，尤其是早期浸出階段的一個(gè)重要途徑。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)樗魬?zhàn)了認(rèn)為淹水土壤中分解 solely 依賴(lài)慢速厭氧過(guò)程的傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，表明易分解有機(jī)物輸入能迅速刺激厭氧代謝。

5.  連接微觀(guān)過(guò)程與宏觀(guān)現(xiàn)象：微傳感器獲得的代謝速率數(shù)據(jù)（如早期的高耗氧和高硫酸鹽還原）與宏觀(guān)觀(guān)測(cè)到的快速質(zhì)量損失（尤其是綠茶） 完美吻合，為分解速率差異提供了機(jī)制性的解釋。它將“分解”這個(gè)黑箱打開(kāi)，讓我們看到了內(nèi)部正在發(fā)生的生物地球化學(xué)過(guò)程。

 

總之，丹麥Unisense微電極的應(yīng)用是本研究的核心技術(shù)亮點(diǎn)，它提供了無(wú)可替代的高分辨率、原位、實(shí)時(shí)代謝活性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅證實(shí)了溫度升高會(huì)加速分解，更重要的是揭示了這一現(xiàn)象背后的微觀(guān)微生物機(jī)制（好氧和厭氧代謝的增強(qiáng)），并將凋落物化學(xué)穩(wěn)定性、微生物代謝和環(huán)境溫度（升溫）三者有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，極大地增強(qiáng)了對(duì)藍(lán)碳分解過(guò)程的理解和預(yù)測(cè)能力。