研究簡介:人類使用化石燃料和毀林等活動導(dǎo)致大氣中二氧化碳（CO2）濃度增加了36%并且保持著約0.5%的年增長速度，而其中的約30%被海洋所吸收，大氣CO2濃度升高會對海洋生物的鈣化過程產(chǎn)生一定的影響，而大氣CO2濃度升高導(dǎo)致的海水pH值降低會極大的改變海洋碳酸鹽系統(tǒng)，導(dǎo)致海螺、珊瑚這樣以碳酸鈣為主要發(fā)育條件的外骨骼海洋生物就將面臨被海水溶解的風(fēng)險。鈣化藻類（珊瑚）對pH值變化的響應(yīng)是大氣CO2濃度升高導(dǎo)致海水酸化引起的生態(tài)效應(yīng)一個主要方面，pH值的變化會影響到CaCO3的飽和度，進而影響珊瑚藻的鈣化速率，本論文主要研究了應(yīng)用微電極實現(xiàn)了對于海洋珊瑚體內(nèi)的pH以及碳酸根離子的原位測試，首次通過測試珊瑚體內(nèi)的pH對于珊瑚體內(nèi)的碳酸根離子濃度的影響，從而研究因為全球氣候變暖導(dǎo)致的海洋酸化對于珊瑚的鈣化的影響以及其鈣化的機制研究。

Unisense PH微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用了unisense的pH微電極，所使用的pH微電極尖端直徑都為10微米，將微電極與剖面顯微鏡聯(lián)用使用，應(yīng)用微電極測試了珊瑚蟲體內(nèi)的不同深度位置區(qū)域的pH的濃度分布情況，從而實現(xiàn)了對于珊瑚蟲的體內(nèi)的pH的原位測試。

實驗結(jié)果

本論文結(jié)合使用了微電極與其他相關(guān)技術(shù)研究了珊瑚蟲表面以及珊瑚蟲胃腔以及珊瑚蟲腔體內(nèi)的pH和碳酸根離子濃度的分布情況，并結(jié)合所測試的數(shù)據(jù)分析了解珊瑚的鈣化原理。研究發(fā)現(xiàn)海洋中的二氧化碳的擴散是珊瑚蟲體內(nèi)的溶解性無機碳的重要供應(yīng)途徑，并且可以使其周圍的鈣化流體內(nèi)的保持較低的濃度，從而導(dǎo)致珊瑚蟲周圍的鈣化流體較高的pH。珊瑚內(nèi)部高濃度的DIC以及較低的pH值可導(dǎo)致珊瑚體內(nèi)形成較高的碳酸鹽飽和態(tài)。

圖1、a)表示的是應(yīng)用微電極測試珊瑚體表面以及珊瑚體腔內(nèi)的pH的實驗過程實驗圖b)表示的是使用氫氣微電極測試珊瑚蟲體表以及體內(nèi)的pH獲取的其pH剖面圖，其中紅色圓圈表示的是第一次測試，藍色三角形表示的是第二次測試，黃色小說的是測試電極折斷。從圖中可以看出，在珊瑚蟲體表面的pH大于珊瑚蟲體內(nèi)的pH,并且離珊瑚蟲表面越遠，其pH值越小，越靠近表面，其pH值越大。

圖2、使用pH微電極測試珊瑚蟲表面以及其胃腔體內(nèi)的不同位置處的pH濃度分布，圖a表示的是大葉珊瑚腔體以及珊瑚表面不同位置處的pH分布情況，不同圖形代表的是第1、2、3使用氫氣微電極測試的珊瑚體的pH剖面圖,圖B表示的是火珊瑚腔體以及珊瑚表面不同位置處的pH，不同圖形代表的是第1、2、3使用氫氣微電極測試的珊瑚體的pH剖面圖。從圖種可以明顯的看出，珊瑚蟲腔體內(nèi)的pH較小，而溶解性碳酸根離子濃度較大。

圖3、珊瑚蟲體內(nèi)部的pH以及碳酸根的剖面分析圖。其他圖a表示的是圓形珊瑚體內(nèi)不同位置處測試的珊瑚蟲體內(nèi)的pH分布圖，圖b表示的是圓形珊瑚體碳酸根離子濃度的剖面圖。圖c表示的是甲狀珊瑚蟲和高頂珊瑚蟲體內(nèi)的pH剖面圖。圖d表示的是甲狀珊瑚蟲和高頂珊瑚蟲體內(nèi)的碳酸根離子濃度剖面圖。從圖中可以看出，珊瑚蟲體內(nèi)的pH較小，而珊瑚體內(nèi)的碳酸根離子濃度呈現(xiàn)離珊瑚表面越遠其濃度變大。

圖4、a)表示的是珊瑚蟲體內(nèi)鈣化機制以及海水中的二氧化碳是如何擴散進入珊瑚腔體的概念模型圖。圖b表示的是所測試珊瑚體不同位置處的溶解性無機碳（DIC）、二氧化碳濃度的分布示意圖。從圖a可以看出，珊瑚腔體內(nèi)的pH較小，而靠近珊瑚腔體外pH值較大。

圖5、霰石（一種亞穩(wěn)態(tài)的CaCO3）礦物飽和狀態(tài)以及珊瑚鈣化液中的緩沖指數(shù)（溶解性有機碳、pH）。其中圖a表示的是不同pH環(huán)境和不同DIC濃度對應(yīng)的霰石礦物參數(shù)。圖b表示的是不同pH環(huán)境和不同DIC濃度對應(yīng)的霰石礦物參數(shù)搜對應(yīng)的TA與pH比值參數(shù)的變化情況。

結(jié)論與展望

全球氣候變暖導(dǎo)致的大氣中的二氧化碳濃度升高，而大氣CO2濃度升高導(dǎo)致的海水pH值降低會極大的改變海洋碳酸鹽系統(tǒng)，尤其是會威脅珊瑚礁生存環(huán)境，因為酸化的海水會使珊瑚形成的碳酸鹽骨骼溶解，從而導(dǎo)致珊瑚礁大面積死亡。越來越多的學(xué)者開始關(guān)注溫室氣體CO2濃度的變化對于海洋珊瑚的影響。本論文通過使用了unisense氫氣微電極以及定制制備的碳酸根離子電極測試了珊瑚蟲表面以及體內(nèi)不同位置處的pH值以及碳酸根離子濃度變化情況，結(jié)合其他相關(guān)測試技術(shù)，了解海洋內(nèi)的二氧化碳擴散以及珊瑚體內(nèi)的pH對于珊瑚體內(nèi)溶解性無機碳（DIC）濃度的影響，提出了關(guān)于珊瑚的鈣化機制是如何應(yīng)對因氣候變化導(dǎo)致的海洋環(huán)境變化帶來的生存壓力。從這篇研究報道中可以看出微電極測試技術(shù)測試的碳酸根離子濃度、pH濃度的剖面數(shù)據(jù)為研究者研究珊瑚的鈣化機制提供了充分的數(shù)據(jù)支持，從而使相關(guān)研究者能夠準(zhǔn)確快速的分析出珊瑚如何應(yīng)對因氣候變化導(dǎo)致其生產(chǎn)環(huán)境的變化帶來的生存影響，這也表明微電極系統(tǒng)在研究海洋珊瑚生態(tài)學(xué)領(lǐng)域存在著非常好的應(yīng)用前景。