海洋初级生产者浮游植物在海洋和全球碳循环中扮演着举足轻重的角色，调节着全球气候。氮是浮游植物生长所必需的元素，其缺乏限制了全球面积一半以上海区的初级生产力。束毛藻是海洋生态系统中“新氮”的重要来源之一，可贡献高达50%的全球海洋总固氮量，对海洋初级生产力以及碳、氮生物地球化学循环起着至关重要的影响。本论文研究了在束毛藻克隆体在不同的二氧分压环境下的，其周围分布环境的氧浓度分布、pH情况以及氮含量的变化。研究表明在高的二氧化碳分压环境中导致的海水酸化显著促进了束毛藻生长和固氮。


微电极的应用


应用了unisense氧微电极和pH微电极，所使用的氧微电极尖端直径都为10微米、PH电极的尖端直径都为100微米，所使用的电极都经过了两点矫正法获取了相应的标准曲线，其中的氧气浓度以及pH是在定制通入的流动海水的系统中，结合解剖显微镜测试束毛藻周围环境剖面的氧气浓度以及pH值，流动系统中海水中一直鼓有二氧化碳气体来获得不同的二氧化碳分压。


实验结果


微米级的束毛藻克隆体周围区域的的氧浓度梯度和pH值的分布情况说明，当束毛藻在光照环境和无光照环境下，束毛藻周围的氧气浓度和pH值的变化范围较大，由于贫营养环境区域内能够提供稳定的环境束毛藻克隆体为其本身已经其他相关的有机体提供了生理代谢上的灵活性，导致了单细胞态的束毛藻体内的C、N的分布广泛的差异性。

图1、图a,b分别表示的是束毛藻属克隆体在有光和无光环境下的氧浓度剖面以及pH剖面分析图。图c表示的是在光照条件下，束毛藻表面的氧浓度，虚线表示的是水体环境中的氧气浓度。图d表示的是束毛藻克隆体在一天的不同时间段，光照环境下（空心圆点）、无光照环境（实心圆点）时氧气浓度剖面图。从图A中可以看出，在无光照的环境下，体系的氧浓度是随着垂直剖面的深度的增加先减小后变大，而在有光照的环境下，体系的氧浓度表现为相反的现象。pH的趋势和氧浓度趋势基本相同。

图2、在不同二氧化碳分压环境的水体环境中束毛藻克隆体周围在光照环境和无光照环境下的溶氧浓度和pH值的变化情况。其中图a表示的是pH值和质子氢的浓度分布情况。图b表示的是氧浓度的分布情况。图c表示的是是束毛藻克隆体中心区域的氧浓度分布情况。从图中可以看出，在常规环境的二氧化碳分压下，束毛藻在光照条件下克隆体周围的pH浓度大约为8-8.5，而在无光照条件下，其pH下降至7.5-8.0之间。二氧化碳分压浓度值较高时，束毛藻环境周围的pH在光照条件下的pH值较大，大约为7.6-8.3之间，而在无光照环境条件下，其pH降至7.2-7.6之间。

图3、使用LG-SIMS(正方形点，二次离子质谱分析仪)和Nano-SIMS（圆形，纳米离子探针型离子质谱分析仪）对束毛藻单体以及其伴生细菌体内的13C和15N跟踪标记图。不同颜色的点代表的是所取的不同束毛藻单体以及在不同的二氧化碳分压环境下的使用SIMS分析的C以及N的丰度含量分析。


总结


海洋酸化将怎样影响束毛藻的固氮作用，其碳、氮生物地球化学效应和气候效应如何，是国际海洋全球变化研究的热点和焦点。本论文研究了束毛藻在不同的二氧化碳分压下，其束毛藻附近的氧浓度变化及pH和束毛藻中固氮的效果影响。高分压的二氧化碳导致海水的酸化，从而促进束毛藻固氮作用的。论文研究过程中使用了unisense氧气微电极和pH微电极结合解剖显微镜测试了束毛藻周围环境的氧气浓度剖面分析及pH变化，这说明unisense微电极系统在研究海洋微藻生物领域存在着非常广的应用前景。