研究簡介：全球變暖背景下，溫度升高對附生海草葉片生物膜中一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的生產及動態的影響。海草床是重要的沿海生態系統，提供多種生態系統服務，如增強海洋生物多樣性、改善水質和碳封存。然而，海草葉片的微生物群落（附生生物）在夜間可能會因氧氣供應不足而產生溫室氣體和植物毒素，對海草產生負面影響。本研究旨在探究溫度升高如何影響海草葉片微生物群落中的厭氧過程，如反硝化和硫酸鹽還原。研究人員使用電化學微傳感器（unisense野外微電極研究系統）測量了在黑暗條件下，覆蓋有大量附生生物的海草葉片微環境中的氧氣、NO、N?O和H?S的濃度梯度，并研究了溫度（14°C和24°C）對這些過程的影響。

實驗結果表明，隨著海水溫度的升高，海草葉片微環境中的H?S生產和積累顯著增加，這可能會對海草造成傷害，因為H?S可以輕易地通過海草葉片薄的表皮擴散。此外，海草葉片還顯示出NO的生產和N?O的排放，這兩種氣體在夜間黑暗條件下產生。溫度升高和水柱中氧氣供應減少（例如，在富營養化水域中的海洋熱浪期間）可能會在海草葉片微環境中引發有害的化學條件，這可能會對海草的性能和生態功能產生負面影響。研究發現與H?S相比，NO和N?O的動態對海水溫度升高的反應有限，但附生生物覆蓋的海草葉片中的N?O生產和向周圍海水的排放可能會對海草床在溫室氣體平衡中的作用產生影響。本研究的結果強調了沿海富營養化和全球變暖對海草的級聯效應，特別是在溫度升高時，海草葉片微環境中的H?S生產和NO的內流可能會對海草的生產力和健康產生潛在的負面影響。此外N?O排放的增加可能會削弱海草床作為溫室氣體匯的功能。因此，減少沿海富營養化和應對全球變暖對于保護海草床的生態功能至關重要。

Unisense野外微電極研究系統的應用

Unisense微電極被用于測量海草葉片微環境中的氧氣（O?）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的濃度梯度。測量在黑暗條件下進行，以模擬夜間海草葉片微環境的條件。所有的微電極測量均在一個定制的流動室中進行，該流動室能夠產生穩定的層流（流速為0.5厘米/秒）。流動室中的過濾海水（0.2微米，鹽度為30）是從一個支持水族箱中泵入的。水族箱通過一個金屬線圈連接到一個加熱/冷卻循環系統，以維持實驗所需的溫度。微電極連接到一個多通道微電極主機（Unisense A/S，丹麥），并安裝在一個電機化的微操縱器上。微操縱器和微電極測量儀均通過一臺電腦和專用的微剖面軟件）進行數據采集和傳感器定位控制。

實驗結果

溫度升高對附生海草葉片生物膜中一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的生產及動態的影響。研究結果表明，溫度升高顯著刺激了海草葉片微環境中的H?S生產和積累，這可能會對海草造成傷害，因為H?S可以輕易地通過海草葉片薄的表皮擴散。此外，海草葉片還顯示出NO的生產和N?O的排放，這兩種氣體在夜間黑暗條件下產生。溫度升高和水柱中氧氣供應減少可能會在海草葉片微環境中引發有害的化學條件，這可能會對海草的性能和生態功能產生負面影響。本研究強調了沿海富營養化和全球變暖對海草的級聯效應，特別是在溫度升高時，海草葉片微環境中的H?S生產和NO的內流可能會對海草的生產力和健康產生潛在的負面影響。此外，N?O排放的增加可能會削弱海草床作為溫室氣體匯的功能。因此，減少沿海富營養化和應對全球變暖對于保護海草床的生態功能至關重要。

圖1、實驗裝置示意圖。(a)電機化微操縱器、O?、NO、N?O&H?S微電極、流動室、多通道微電極儀、電機控制器、光纖O?微傳感器、電腦、支持水族箱、光纖O?儀(b)空氣&N?、溫度控制。圖1a是一個完整的實驗裝置，包括電機化微操縱器、不同類型的微電極（用于測量O?、NO、N?O和H?S）、流動室、多通道微電極儀等。這些設備連接到電腦上，通過專用軟件進行數據采集和傳感器定位控制。圖1b展示了一個分體式流動室的設計，其中葉片放置在有流動的海水中，而根部則嵌入在人工沉積物中。這種設計允許同時測量葉片和根部的微環境。

圖2、O?、H?S、NO和N?O濃度的微剖面。在14°C（黑色）和24°C（紅色）下，海草葉表層微環境中的O?、H?S、NO和N?O濃度的微剖面。所有測量均在黑暗中進行，海水處于低氧狀態（約40%空氣飽和度，模擬現場夜間條件）。上、中、下三行分別代表3個生物學重復，每個重復都顯示了從葉片表面向內的濃度變化。虛線表示附生生物膜的近似厚度。圖2展示了在兩種不同溫度（14°C和24°C）下，海草葉片微環境中的氧氣（O?）、硫化氫（H?S）、一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N?O）的濃度梯度。這些測量在黑暗和低氧條件下進行，以模擬夜間海草葉片微環境的自然條件。

圖3、NO、N?O和H?S的凈生產和排放。在14°C（黑色）和24°C（紅色）下，海草葉片-生物膜界面處的NO、N?O和H?S的凈生產（a）以及從海草葉表層向覆蓋水體的排放（b）。展示了在兩種溫度條件下，海草葉片生物膜界面處NO、N?O和H?S的凈生產和向覆蓋水體的排放。圖3a顯示了在葉片-生物膜界面處這些氣體的凈生產量，而圖3b則顯示了這些氣體從海草葉表層向周圍水體的排放量。圖中數據基于9個重復測量，誤差線表示標準誤差。

圖4、海草基部葉分生組織中O?和NO濃度的動態變化。在水柱O?濃度從80%降至40%空氣飽和度期間，海草基部葉分生組織中O?（黑色符號）和NO（紅色符號）濃度隨時間的變化。背景顏色表示水柱中的O?濃度（以%空氣飽和度表示）。水溫保持在24°C。在水柱O?濃度從80%降至40%空氣飽和度的過程中，海草基部葉分生組織中O?和NO濃度的變化。圖中黑色符號表示O?濃度，紅色符號表示NO濃度。背景顏色表示水柱中的O?濃度。實驗過程中，水溫保持在24°C。圖中顯示了隨著時間的推移，O?濃度下降，而NO濃度上升，這表明NO從海草葉片微環境侵入到植物組織中。

結論與展望

海草葉片附生生物有可能減少海草夜間氧氣供應，導致微生物產生溫室氣體和植物毒素，這些物質可能對植物有害。然而目前尚不清楚全球變暖如何影響海草葉表層微環境中的厭氧過程，如反硝化和硫酸鹽還原。本論文使用電化學微傳感器測量了在黑暗條件下，被大量附生生物覆蓋的海草（Zostera marina L.）葉片微環境中的氧氣（O?）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的濃度梯度，并研究了溫度（14°C和24°C）對這些過程的影響。Unisense微電極被用于測量海草葉片微環境中的氧氣（O?）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N?O）和硫化氫（H?S）的濃度梯度。通過高精度的濃度梯度測量，提供了關于溫度變化對海草葉片微環境中厭氧過程影響的詳細數據。這些數據對于理解全球變暖對海草生態系統的潛在影響至關重要。研究發現隨著海水溫度的升高，海草葉表層微環境中的植物毒素H?S的生產和積累顯著增加，這可能會對海草造成傷害，因為H?S可以輕易地通過海草葉片薄的表皮擴散。此外海草葉表層微環境中還檢測到了NO的生產和N?O的排放，這兩種氣體在夜間黑暗條件下產生。溫度升高和水柱中氧氣供應減少（例如，在富營養化水域中的海洋熱浪期間）可能會在海草葉表層微環境中引發有害的化學條件，這可能會對海草的性能和生態功能產生負面影響。與H?S相比，NO和N?O的動態對海水溫度升高的反應有限，但附生生物覆蓋的海草葉片中的N?O生產和向周圍海水的排放可能會對海草床在溫室氣體平衡中的作用產生影響。