廖 晏，馮媛媛，劉 瑤，李文學(xué)，李敬鴻，倪紅東，石文婷

(天津市海洋資源與化學(xué)重點實驗室，天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457)

工業(yè)革命以來，人類活動的加劇導(dǎo)致大氣中二氧化碳(CO2)排放量急劇上升，到21 世紀(jì)末，CO2濃度將超過800μatm[1].海洋吸收了人為排放CO2的1/3[2]，大量CO2被海洋持續(xù)吸收，導(dǎo)致海水pH 降低，被稱為海洋酸化(ocean acidification)[3].研究[4-5]表明，海洋酸化可影響海洋浮游植物的生長，尤其是對于具有鈣化作用的藻類[6-8].此外，CO2是溫室氣體的重要組成部分，對全球氣候起到重要的調(diào)節(jié)作用.隨著CO2濃度不斷升高，溫室效應(yīng)增強(qiáng)使得溫度不斷升高，導(dǎo)致冰川融化和降雨模式發(fā)生改變，從而增強(qiáng)海水分層、減低海洋混合層深度[9]、削弱從深海向表層海水的營養(yǎng)鹽補(bǔ)充、加劇大洋表層水體的營養(yǎng)鹽限制[10].

海洋顆石藻是一類生產(chǎn)碳酸鈣(CaCO3)顆石粒作為外殼的單細(xì)胞浮游植物[11]，它們能夠通過光合作用和鈣化作用進(jìn)行有機(jī)碳和無機(jī)碳(CaCO3)的生產(chǎn)[12]，貢獻(xiàn)了全球海洋CaCO3生產(chǎn)量的50%，在海洋碳循環(huán)中起重要作用[10,13-15].除極地及熱帶海域外，顆石藻(Emiliania huxleyi)在全球海洋中都有廣泛分布，并在很多海域中出現(xiàn)大規(guī)模可通過衛(wèi)星遙感圖像觀測到的季節(jié)性水華[16-18]，成為海洋碳循環(huán)研究中的模式生物[18].近年研究[19]表明，Emiliania huxleyi 的鈣化作用對海水碳酸鹽化學(xué)體系的變化響應(yīng)尤為敏感，并存在明顯的株間特性.除海洋酸化外，其生長、鈣化作用及光合作用等生理學(xué)過程還受到其他環(huán)境因子的影響，如光照、溫度、營養(yǎng)鹽濃度變化等[19-23].因此，研究海洋酸化和其他環(huán)境因子的交互作用對顆石藻生理學(xué)指標(biāo)的影響，對進(jìn)一步預(yù)測未來多因子共同變化的海洋環(huán)境中Emiliania huxleyi 的生理學(xué)響應(yīng)尤為重要.氮是維持浮游植物生長的一種重要的生源要素，也是在全球大洋水體中限制浮游植物初級生產(chǎn)的重要營養(yǎng)鹽，然而針對海洋酸化和氮限制的交互作用對Emiliania huxleyi 的生理學(xué)指標(biāo)影響的相關(guān)研究，尤其是在穩(wěn)態(tài)生長下該藻的生理學(xué)響應(yīng)卻鮮有報道[20,24].本研究擬采用恒化培養(yǎng)裝置對顆石藻Emiliania huxleyi NIWA1108 進(jìn)行實驗室內(nèi)受控連續(xù)培養(yǎng)實驗，研究海洋酸化和氮限制對該藻生理學(xué)指標(biāo)在其穩(wěn)態(tài)生長條件下的交互影響效應(yīng).

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)置

本實驗所用顆石藻是顆石藻鈣化株Emiliania huxleyi NIWA1108，于2009 年分離自新西蘭以東Chatham Rise 海域(41°35.8′S，175°41.5′E)，在實驗室中用f/20 海水培養(yǎng)基(10 倍稀釋后的f/2 配方)進(jìn)行保種培養(yǎng)[25]，培養(yǎng)條件為 15 ℃、光照強(qiáng)度 80～110μmol/(m2·s)、光/暗周期為12 h/12 h.配制培養(yǎng)基所使用的海水取自于南海寡營養(yǎng)海域SEATS 站表層，并在使用前通過0.2μm 孔徑的囊式濾器進(jìn)行過濾處理，以達(dá)到無菌效果.

氮限制培養(yǎng)實驗采用自制恒化培養(yǎng)器進(jìn)行，共設(shè)置4 個處理組：(1)對照：p(CO2)400μatm，氮充足(n(N)/n(P)=24)；(2)酸化：p(CO2)800μatm，氮充足；(3)氮限制(n(N)/n(P)=2.4)：p(CO2)400μatm，低氮；(4)酸化+氮限制：p(CO2)800μatm，低氮.培養(yǎng)基采用過濾后SEATS 站表層海水配制，磷酸鹽、微量元素及維生素添加至f/20 配方水平.氮充足條件下的培養(yǎng)基硝酸鹽濃度添加至 f/20 水平(88μmol/L)；低氮條件下硝酸鹽濃度添加至8.8μmol/L(n(N)/n(P)=2.4).初始接種豐度為1.0×104mL-1，采用恒化培養(yǎng)器在培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，至接種后第3 天打開蠕動泵，開始連續(xù)培養(yǎng)實驗.培養(yǎng)基采用蠕動泵連續(xù)泵入培養(yǎng)瓶(培養(yǎng)瓶體積為3.6 L，為聚碳酸酯材質(zhì))中，每個培養(yǎng)瓶瓶頸處與流出口相連，以保證培養(yǎng)體系體積恒定.蠕動泵的稀釋速率對于氮充足和氮限制處理組分別設(shè)置為0.5 d-1和0.2 d-1.實驗過程中使用具有特氟龍涂層的攪拌器連續(xù)低速攪拌，使得藻液分布均勻.培養(yǎng)實驗在恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，溫度及光照條件與保種條件保持一致.

1.2 海水碳酸鹽體系調(diào)節(jié)

采用曝氣法調(diào)節(jié)海水培養(yǎng)基的碳酸鹽體系.其中空氣對照組(p(CO2)400μatm)向其中一桶海水中曝空氣(空氣中平均p(CO2)400μatm，從實驗開始曝氣直到實驗結(jié)束)，另一桶海水中通入空氣和CO2混合氣體(p(CO2)800μatm，從實驗開始通氣直到實驗結(jié)束)，氣體在通入水體前均經(jīng)0.22μm 的濾膜過濾.培養(yǎng)開始前，海水培養(yǎng)基曝氣時間大于24 h，且在培養(yǎng)期間，儲存海水培養(yǎng)基的儲水桶和培養(yǎng)瓶一直保持持續(xù)曝氣.各培養(yǎng)瓶中在細(xì)胞生長達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的碳酸鹽體系各參數(shù)見表1，采用CO2SYS 1.05 版軟件進(jìn)行計算[26].

表1 采樣時恒化器中碳酸鹽化學(xué)體系參數(shù)Tab.1 Carbonate chemistry parameters in the chemostat vessels at the time of sampling

1.3 藻種培養(yǎng)

將處于指數(shù)生長期的 Emiliania huxleyi NIWA1108 接種于3.5 L 的培養(yǎng)液中，初始細(xì)胞豐度為1.0×104mL-1，置于光照培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)15 d.每隔24 h 取5 mL 藻液，分成3 份：一份用Trilogy 熒光儀測定活體熒光值；一份用pH 計測定pH；最后一份固定后用于細(xì)胞計數(shù).培養(yǎng)至其生長進(jìn)入穩(wěn)態(tài)超過5 d(每個處理組中藻細(xì)胞豐度保持相對穩(wěn)定，變化小于10%)后，進(jìn)行最終采樣，采樣參數(shù)為活體熒光、pH、細(xì)胞計數(shù)、葉綠素a(Chl-a)、沉降速率及細(xì)胞元素組成.細(xì)胞元素組成包括顆粒有機(jī)磷(POP)、顆粒有機(jī)碳(POC)、顆粒無機(jī)碳(PIC)及顆粒有機(jī)氮(PON)含量.

1.4 樣品分析

1.4.1 藻細(xì)胞計數(shù)及Chl-a 質(zhì)量濃度的測定

取 1 mL 藻液并加入 6 μL 堿性魯格氏溶液(Lugol’s)[27]，并在4 ℃于暗處保存，最后用微藻計數(shù)框在顯微鏡下觀測計數(shù).取樣至最后觀測時間間隔不超過一周.

量取 30 mL 藻液，用隔膜真空泵過濾到Whatman GF/F 玻璃纖維膜上(直徑25 mm)，并保存于-20 ℃的冰箱中.測定時，在暗處將膜置于20 mL棕色玻璃瓶中，添加5 mL 體積分?jǐn)?shù)為90%的丙酮，于-20 ℃暗處理24 h 后，用 Turner 型熒光儀測定其熒光值，根據(jù)式(1)[28]計算Chl-a 質(zhì)量濃度(μg/L).

1.4.2 細(xì)胞元素組成的分析

POP 含量用鉬酸鹽測定法[29]進(jìn)行測定.取30 mL 藻液過濾到經(jīng)馬弗爐灼燒(450 ℃，4 h)過的GF/F 膜上，用2 mL 0.17 mol/L 的Na2SO4溶液潤洗，轉(zhuǎn)移到經(jīng)馬弗爐灼燒(450 ℃，4 h)的硼酸鹽閃爍瓶中，用2 mL 0.017 mol/L MgSO4溶液浸沒附有藻液的GF/F 膜，然后將其置于60 ℃烘箱中，直至烘干.分析前，將裝有GF/F 膜的閃爍瓶置于馬弗爐中450 ℃灼燒4 h，冷卻后向其中加入5 mL 0.2 mol/L 鹽酸，旋緊瓶蓋置于90 ℃烘箱中烘30 min.冷卻后，加入染色劑[29]，靜置10～20 min，用紫外-可見分光光度計測定吸光度.過濾3 份等體積的培養(yǎng)基，作為空白樣.

POC、PIC 和PON 含量用CHN 元素分析儀進(jìn)行測定.取2 份100 mL 藻液分別過濾到事先經(jīng)馬弗爐灼燒(450 ℃，4 h)過的GF/F 膜上，一份不進(jìn)行酸化處理，直接在60 ℃下烘干，用于測定總顆粒碳(TPC)含量；另一份用濃鹽酸熏蒸3 h 后置于烘箱中60 ℃烘干，用來測定POC 和PON 含量.TPC 和POC 的差值即為PIC 含量.

1.4.3 沉降速率的測定

同源性采樣法[30]用于測定浮游植物沉降速率.將沉降柱豎直固定在支架上，堵住3 個出水口，把藻液混勻，倒入沉降柱中，使藻液充滿沉降柱，蓋好沉降柱使其密封(避免氣泡)，在相同溫度下避光靜置2～4 h.從上到下分層取樣，記錄各層藻液體積，并分別過濾至GF/F 膜上，保存于-20 ℃的冰箱中，用于測定其葉綠素生物量.根據(jù)Bienfang[30]的沉降公式計算沉降速率.

1.4.4 掃描電鏡圖像觀察

取1～5 mL 藻液過濾至0.6μm 聚碳酸酯濾膜上，過濾時控制壓力小于0.02 MPa，再將濾膜輕輕平鋪于培養(yǎng)皿中，自然風(fēng)干.最后，用JSM-IT300 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行形態(tài)觀察并拍照.

1.5 數(shù)據(jù)分析

環(huán)境因子的交互效應(yīng)按照Folt 等[31]方法計算，單一環(huán)境因子(酸化(A)或氮限制(N)或兩環(huán)境因子共同變化(A+N)下對某生理生化參數(shù)的表觀影響(observed effect，OE)按照該處理組與對照組的變化百分比計算而得(正值為正向升高效應(yīng)，負(fù)值為負(fù)向降低效應(yīng))，二者的交互效應(yīng)(multiplicative effect，ME)按照公式[31]：MEA+N=(1+OEA)×(1+OEN)-1計算.當(dāng)|OEA+N|＞|MEA+N|時，兩種環(huán)境因子為協(xié)同性交互效應(yīng)；當(dāng)|OEA+N|＜|MEA+N|時，兩種環(huán)境因子為對抗性交互效應(yīng).由于本實驗采用恒化連續(xù)培養(yǎng)方式，每個處理組到最終采樣時已在各培養(yǎng)條件下保持若干代的穩(wěn)定生長狀態(tài)，沒有平行樣帶來的誤差，因此可以得到相應(yīng)降低[32].

2 結(jié) 果

2.1 細(xì)胞Chl-a 含量

不同條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞Chl-a 含量如圖1 所示.當(dāng)硝酸鹽濃度一致，不同CO2分壓條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 胞內(nèi)Chl-a 含量變化較小.但是在氮限制的條件下，p(CO2)400μatm 處理組中胞內(nèi)Chl-a 含量與氮充足條件下相比降低了58.9%.在高二氧化碳分壓和氮限制的共同作用下，胞內(nèi)的Chl-a 含量進(jìn)一步降低，比p(CO2)400μatm、氮充足的對照組降低了66.2%.

圖1 不同條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞Chl-a 含量Fig.1 Contents of cellular chlorophyll a in Emiliania huxleyi NIWA1108 under different conditions

2.2 細(xì)胞元素含量

Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞POP 含量受到CO2分壓升高和氮限制的影響(表2).在氮充足的條件下，僅升高CO2分壓，細(xì)胞POP 含量比對照組降低23.1%；在氮限制條件下，細(xì)胞POP 含量比對照組降低了48.8%；高CO2濃度和氮限制的共同作用下，細(xì)胞POP 含量進(jìn)一步降低，降低了65.4%.

與細(xì)胞POP 含量相似，細(xì)胞PON 含量隨CO2分壓升高有下降的趨勢(表2)，而氮限制則進(jìn)一步降低了該含量.在酸化和氮限制的共同作用下細(xì)胞內(nèi)PON 含量下降程度最高(與對照組相比降低了54.0%).

表2 不同條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞元素含量Tab.2 Cellular elemental contents of Emiliania huxleyi NIWA1108 under different conditions

二氧化碳分壓的升高及氮限制均使細(xì)胞POC 含量略有下降(表2)，與對照組相比，分別降低7.8%和16.0%，而酸化+氮限制組則進(jìn)一步降低，較對照組低20%.而PIC 含量受海水酸化以及氮限制的影響比較大(表2)，酸化組中Emiliania huxleyi NIWA1108的細(xì)胞PIC 含量與對照組相比降低了18.7%；氮限制使得PIC 含量大大降低(與對照組相比降低60.2%)；氮限制和海水酸化的共同作用下，進(jìn)一步降低了PIC含量(與對照組相比降低87.6%).

與對照組相比，僅升高CO2分壓的酸化組中，細(xì)胞PIC 與POC 比值(PIC/POC)有所降低(表2)，降低了11.8%，氮限制下PIC/POC 下降得更為明顯，氮限制處理組中PIC/POC 較對照組降低了52.6%；在酸化+氮限制處理組，細(xì)胞PIC/POC 最低，比對照組降低84.5%，比酸化組降低82.4%.

2.3 沉降速率

高CO2分壓條件下(酸化組)Emiliania huxleyi NIWA1108 的沉降速率較對照組略有降低，而氮限制更加明顯地降低了其沉降速率，氮限制及酸化+氮限制處理組分別較對照組下降47.9%和48.4%(圖2).

圖2 不同條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 的沉降速率Fig.2 Sinking rates of Emiliania huxleyi NIWA1108 under different conditions

2.4 細(xì)胞形態(tài)

不同條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 的掃描電鏡照片如圖3 所示.

圖3 在不同條件下Emiliania huxleyi NIWA1108 的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM images of Emiliania huxleyi NIWA1108 under different conditions

與對照組相比，Emiliania hux-leyi NIWA1108 的顆石球體積在高二氧化碳分壓和氮限制條件下均有所降低，在氮限制條件下細(xì)胞相對更小且顆石粒脫落更多；在酸化+氮限制處理組，其顆石球體積最小、顆石粒直徑也較小且存在大量顆石粒脫落.

2.5 海洋酸化和氮限制的交互作用

酸化和氮限制對顆石藻 Emiliania huxleyi NIWA1108 的各項生理及生物地球化學(xué)指標(biāo)的交互作用見表 3.數(shù)據(jù)分析表明，酸化和氮限制對Emiliania huxleyi NIWA1108 細(xì)胞Chl-a 含量、PIC 含量、PIC/POC、細(xì)胞PON 含量及POP 含量產(chǎn)生協(xié)同性交互效應(yīng)，而酸化和氮限制對細(xì)胞POC 含量和沉降速率產(chǎn)生對抗性交互效應(yīng).

表3 酸化和氮限制對顆石藻Emiliania huxleyi NIWA1108的各項生理及生物地球化學(xué)指標(biāo)的交互作用Tab.3 Interactive effects of ocean acidification and nitrogen limitation on different physiological and biogeochemical parameters of Emiliania huxleyi NIWA1108

3 討 論

本研究采用了恒化連續(xù)培養(yǎng)(chemostat continuous incubation)的方式[33]，研究該藻在指數(shù)生長階段的穩(wěn)態(tài)條件下氮限制、酸化以及二者的交互作用對其生理指標(biāo)的影響，更好地模擬自然低硝酸鹽水體中顆石藻 Emiliania huxleyi NIWA1108 的自然生長狀態(tài).這與報道的一次性培養(yǎng)實驗(batch culture)有所不同[34]，一次性培養(yǎng)實驗達(dá)到的氮限制條件往往是在營養(yǎng)鹽消耗殆盡后的靜止平臺生長期，藻細(xì)胞瀕于衰亡，更與藻類發(fā)生大規(guī)模水華后處于衰退期的狀態(tài)相近.

氮限制可明顯抑制Emiliania huxleyi NIWA1108的生長、光合作用、鈣化作用，并降低其沉降速率，表明硝酸鹽濃度是控制該藻生理生化過程的重要環(huán)境因子.同樣，F(xiàn)eng 等[23]也發(fā)現(xiàn)硝酸鹽濃度在Emiliania huxleyi NIWA1108 生長、光合及鈣化作用中起到的重要作用，且在5 種環(huán)境因子中最為重要.氮是合成核酸和蛋白質(zhì)的必需元素，氮限制可能會減少一些作為光合作用和鈣化作用的重要轉(zhuǎn)運體的蛋白質(zhì)的生產(chǎn)[35].在本研究中，氮限制使Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞大小減小，因而細(xì)胞POC和PIC 含量均有所降低，然而氮限制下細(xì)胞PIC 降低的幅度更大，從而導(dǎo)致了細(xì)胞PIC/POC 比值在氮限制下明顯下降.這與Müller 等[36]和Perrin 等[37]研究結(jié)果有所不同，其研究對象為處于靜止生長期的Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞而無論在低光照或者高光照條件下，氮限制增加了細(xì)胞PIC/POC 比值，主要原因是處于靜止期的藻細(xì)胞在細(xì)胞生長的G1 期，鈣化作用繼續(xù)而細(xì)胞分裂暫停，導(dǎo)致細(xì)胞PIC含量相對升高，本研究對象為指數(shù)生長期藻細(xì)胞，在極低硝酸鹽濃度下，其鈣化作用較細(xì)胞分裂更大程度受到抑制.氮限制導(dǎo)致的細(xì)胞體積減小和PIC 含量降低也大大降低了其相對于海水的比密度，從而導(dǎo)致沉降速率降低，這將會進(jìn)一步降低該藻向深海的碳沉降通量.同樣的，本研究中，隨著細(xì)胞變小，細(xì)胞Chla 含量也減少，細(xì)胞PON 含量降低[23,38].同時由于功能性蛋白合成受到氮限制影響，降低對營養(yǎng)鹽的吸收與有機(jī)磷合成，導(dǎo)致細(xì)胞POP 含量也降低.

本研究進(jìn)一步表明了酸化和氮限制對顆石藻的生理和生物地球化學(xué)指標(biāo)的潛在交互影響.酸化會導(dǎo)致顆石藻細(xì)胞花費更多的能量維持細(xì)胞內(nèi)pH 平衡[39]，因此隨著 CO2分壓升高，Emiliania huxleyi NIWA1108 的鈣化作用通常會隨之減弱[7,35].本研究中，當(dāng)p(CO2)由400μatm 升高至800μatm 時，細(xì)胞PIC 含量和PIC/POC 比值均有所降低；而這種趨勢在氮限制下尤為明顯，換句話說，酸化和氮限制的交互作用對Emiliania huxleyi NIWA1108 的鈣化作用產(chǎn)生了負(fù)向協(xié)同效應(yīng).此外，酸化和氮限制也對Emiliania huxleyi NIWA1108 的細(xì)胞碳氮比和碳磷比產(chǎn)生了正向協(xié)同效應(yīng).考慮到在未來全球變化下的海洋環(huán)境中，除了海洋酸化的趨勢外[40]，寡營養(yǎng)海域尤其是氮限制海域也會逐漸擴(kuò)張[41]，因此，為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測全球變化下顆石藻的生理學(xué)響應(yīng)及該響應(yīng)帶來的對海洋生物地球化學(xué)尤其是碳循環(huán)的影響，酸化和氮限制的這種協(xié)同影響不容忽視.

4 結(jié) 論

通過對顆石藻Emiliania huxleyi NIWA1108 進(jìn)行恒化連續(xù)培養(yǎng)，揭示了在穩(wěn)態(tài)生長條件下，氮限制對該藻的生理學(xué)指標(biāo)影響較大，減小了顆石球的體積，降低了細(xì)胞各元素含量；而酸化則進(jìn)一步降低了細(xì)胞元素含量，尤其是細(xì)胞無機(jī)碳含量以及PIC/POC 比值，其沉降速率也隨之降低.酸化和氮限制對顆石藻生理及生物地球化學(xué)指標(biāo)尤其是鈣化作用存在著潛在協(xié)同效應(yīng)，這為進(jìn)一步預(yù)測全球變化下顆石藻這一重要功能群的響應(yīng)以及氣候變化相關(guān)海洋生物地球化學(xué)模型的建立提供了理論支撐.