研究簡(jiǎn)介:本研究探討了海洋酸化和升溫對(duì)珊瑚骨骼微生物侵蝕的影響。由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的二氧化碳增加，海洋表面吸收了更多的二氧化碳，導(dǎo)致海水pH下降，即海洋酸化。這種變化降低了碳酸根離子的濃度，減少了鈣碳酸鹽礦物相的飽和度，進(jìn)而減少了珊瑚礁的沉積潛力。同時(shí)，溫室氣體的增加也導(dǎo)致海表溫度上升，可能對(duì)珊瑚礁生物的健康造成負(fù)面影響，導(dǎo)致珊瑚礁退化。研究中，珊瑚骨骼暴露于不同的二氧化碳濃度和溫度情景下，以模擬未來(lái)海洋環(huán)境。結(jié)果顯示，骨骼的溶解主要由光合微生物驅(qū)動(dòng)，且在升高的二氧化碳-溫度情景下溶解率增加。特別是對(duì)于Porites cylindrica，其溶解率在高處理下的月溶解率顯著高于Isopora cuneata。此外，未來(lái)的二氧化碳-溫度情景對(duì)內(nèi)生群落結(jié)構(gòu)的影響僅在P.cylindrica中被識(shí)別，主要與綠色藻類Ostreobium spp.的豐度增加相關(guān)。增強(qiáng)的骨骼溶解與升高的二氧化碳-溫度情景下內(nèi)生生物量和呼吸作用的增加相關(guān)，表明未來(lái)海洋酸化和升溫可能導(dǎo)致微生物侵蝕速率的增加，對(duì)珊瑚礁碳酸鹽損失具有廣泛影響。研究強(qiáng)調(diào)了珊瑚骨骼結(jié)構(gòu)特性在決定海洋酸化和升溫影響中的重要性，并指出了保護(hù)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

為了探索間隙水和體積海水之間pH的變異性，使用unisense快速響應(yīng)pH微電極和unisense實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在P.cylindrica骨架內(nèi)進(jìn)行pH剖面測(cè)量。使用直徑0.5毫米的鉆頭在骨架表面鉆孔（在剖面之前3周），深度為5毫米。參考電極和pH微傳感器（500微米尖端直徑）連接到微傳感器放大器，再連接到計(jì)算機(jī)。使用三種NIST認(rèn)證的pH緩沖液進(jìn)行線性校準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，采用手動(dòng)微操縱器在黑暗和光照條件下進(jìn)行pH深度剖面測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

研究表明在預(yù)計(jì)的海洋酸化和變暖情景下，內(nèi)生微生物在珊瑚骨骼溶解中起著主要作用。在升高的pCO2-溫度條件下，光合微生物對(duì)珊瑚骨骼的溶解作用可能比之前預(yù)測(cè)的更為變化，因?yàn)樘囟ǖ纳汉鞴趋缹?duì)未來(lái)情景的反應(yīng)不同。盡管如此，內(nèi)生微生物的影響在“照常營(yíng)業(yè)”情況下將大于“減少”pCO2排放情景在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行期間的影響。未來(lái)海洋的條件似乎影響了內(nèi)生微生物的生物學(xué)和生態(tài)反應(yīng)，導(dǎo)致珊瑚骨骼的溶解增加。這通過(guò)內(nèi)生藻類的生物量增加、群落結(jié)構(gòu)的變化和呼吸速率的提升得到了證明。

圖1、pCO2-溫度情景對(duì)（a）微生物侵蝕/鈣化（%）和（b）內(nèi)生藻類生物量（mg/cm2）在Isopora cuneata和Porites cylindrica骨骼中的影響。數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。鈣化數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于在全暗條件下暴露的骨骼（每種處理n=20個(gè)樣本）。微生物侵蝕數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于在自然光下的樣本（每種處理n=25個(gè)樣本）以及內(nèi)生藻類的生物量（每種處理n=15個(gè)樣本）。pCO2-溫度處理對(duì)應(yīng)于當(dāng)前條件（對(duì)照：約400μatm-24°C）和兩種IPCC預(yù)測(cè)情景（中等/B2：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm-+4°C）。

圖2、在三種CO2-溫度情景下，棲息在Isopora cuneata和Porites cylindrica最近死亡的珊瑚骨骼上的內(nèi)生藻類和表生藍(lán)細(xì)菌的相對(duì)豐度（%）。數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（每種處理n=10個(gè)切片）。pCO2-溫度處理對(duì)應(yīng)于當(dāng)前條件（對(duì)照：約400μatm-24°C）和兩種IPCC預(yù)測(cè)情景（中等/B2：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm+4°C）。

圖3、在三種pCO2-溫度情景下，內(nèi)生群落的響應(yīng)的主坐標(biāo)排序（PCO）（對(duì)照=圓圈；中等=方塊；高=三角形）在Isopora cuneata和Porites cylindrica的珊瑚骨骼中。pCO2-溫度處理對(duì)應(yīng)于當(dāng)前條件（對(duì)照：約400μatm-24°C）和兩種IPCC預(yù)測(cè)情景（中等/B2情景：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm+4°C）。兩個(gè)PCO軸解釋的方差的高百分比表明良好的二維排序。與兩個(gè)軸最好相關(guān)的分類群的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)（僅顯示R>0.5）作為矢量覆蓋顯示。

圖4、Isopora cuneata和Porites cylindrica骨骼的微生物侵蝕與內(nèi)生藻類的不同變量之間的關(guān)系。兩種類型的骨骼都暴露于三種pCO2-溫度情景（對(duì)照=圓圈；中等=方塊；高=三角形）。完整的數(shù)據(jù)集被繪制并由實(shí)線表示。微生物侵蝕率（mg/cm2·月）與內(nèi)生藻類的生物量（mg/cm2）之間的關(guān)系對(duì)于I. cuneata（R2 = 0.3094，P < 0.001）和P. cylindrica（R2 = 0.3560，P < 0.0001）。對(duì)于I. cuneata，中等和高情景的回歸在統(tǒng)計(jì)上顯著（R2 = 0.4009，P < 0.05 和 R2 = 0.3219，P < 0.05），而對(duì)于P. cylindrica（R2 = 0.2904，P < 0.05 和 R2 = 0.4790，P < 0.01）。微生物侵蝕（%）與Ostreobium spp.的相對(duì)豐度（n = 5個(gè)水箱）之間的關(guān)系，對(duì)于I. cuneata（R2 = 0.0696，P ns）和P. cylindrica（R2 = 0.3869，P < 0.05）。

圖5、在對(duì)照pCO2-溫度情景下測(cè)量的P.cylindrica骨骼內(nèi)pH的深度剖面（200μm步長(zhǎng)），分別在黑暗（0μmol量子/m2·s=黑色圓圈）和光照條件下（900量子/m2·s=灰色圓圈）。實(shí)驗(yàn)流速約為0.02 L/s。水平虛線標(biāo)記骨骼表面（0 mm深度），灰色區(qū)域?qū)?yīng)于骨骼內(nèi)部的測(cè)量（從0到2.4 mm），白色區(qū)域代表體積海水（從0到2.4 mm）。

結(jié)論與展望

生物介導(dǎo)的碳酸鹽溶解是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞的重要組成部分。雖然海洋酸化可以增加碳酸鹽基質(zhì)的溶解，但海洋酸化與升溫對(duì)珊瑚骨骼微生物侵蝕的綜合影響尚不清楚。在本研究中將建造珊瑚（Porites cylindrica和Isopora cuneata）的骨骼暴露于現(xiàn)今（對(duì)照：400μatm–24°C）和未來(lái)二氧化碳濃度-溫度情景（中等：+230μatm–+2°C；高：+610μatm–+4°C）。骨骼還在完全黑暗中經(jīng)歷了初始的次氯酸鈉浸泡和自然光下沒(méi)有次氯酸鈉浸泡，以隔離酸性海水的環(huán)境效應(yīng)（即，Ωaragonite<1）與光合微生物的生物效應(yīng)。結(jié)果表明，骨骼的溶解主要由光合微生物驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樵诤诎抵斜３值臉颖静⑽窗l(fā)生去鈣化。相反暴露于光下的骨骼在升高的二氧化碳-溫度情景下溶解率增加，P.cylindrica在高處理下的月溶解率（89%）高于I.cuneata（46%）。未來(lái)的二氧化碳-溫度情景對(duì)內(nèi)生群落結(jié)構(gòu)的影響僅在P.cylindrica中被識(shí)別，主要與綠色藻類Ostreobium spp.的豐度增加相關(guān)。增強(qiáng)的骨骼溶解也與升高的二氧化碳-溫度情景下內(nèi)生生物量和呼吸作用的增加相關(guān)。

未來(lái)的海洋酸化和升溫預(yù)測(cè)將導(dǎo)致微生物侵蝕速率的增加。然而生物侵蝕反應(yīng)的幅度可能取決于珊瑚骨骼的結(jié)構(gòu)特性，這對(duì)于在更溫暖和更酸性的海洋中珊瑚礁碳酸鹽損失具有廣泛的影響。

本研究中，Unisense微電極起到了關(guān)鍵作用，主要用于測(cè)量珊瑚骨骼內(nèi)部的pH變化，以評(píng)估微生物侵蝕過(guò)程中的化學(xué)條件，并提供了直接的pH測(cè)量數(shù)據(jù)，幫助研究人員深入理解了海洋酸化和升溫對(duì)珊瑚骨骼微生物侵蝕作用的影響，以及這些環(huán)境變化如何改變珊瑚骨骼內(nèi)部的化學(xué)條件。這些信息對(duì)于預(yù)測(cè)和理解全球氣候變化對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響至關(guān)重要。