研究简介:海洋浮游生物是海洋生态系统中的关键组成部分，它们通过光合作用和呼吸作用参与碳的循环。浮游生物的生产（P）和呼吸作用（R）之间的平衡对于理解海洋的碳预算至关重要。然而，对于这种平衡的准确测量存在困难，尤其是在不同尺度上，从微生物到生物地球化学的测量结果存在分歧，导致了对海洋营养状态的争议。早期的海洋生物学研究主要集中在光合作用上，而对呼吸作用的研究相对较少，部分原因是测量方法的局限性和对生产过程的重视。尽管随着新的水生食物网范式的出现，呼吸作用开始受到更多关注，但其测量方法仍然是一个讨论的焦点。最常用的方法是通过Winkler方法测量暗瓶和光瓶孵化后溶解氧的变化，但这种方法可能受到所谓的“瓶子效应”的影响，即样本与自然环境隔离可能带来的偏差。


为了研究孵化时间和瓶子体积对浮游生物净代谢测量的影响，在西北伊比利亚沿海系统进行了一系列时间序列实验。实验包括不同孵化时间（2至48小时）和不同瓶子体积（50、125和570毫升）的测量，以及使用氧气微电极连续监测氧浓度的变化。研究结果表明，24小时暗瓶孵化法在125毫升体积下并不存在系统性的偏差，并且氧气微电极是研究自然海洋浮游生物呼吸动态的有效工具。这项研究反驳了之前关于暗瓶孵化可能存在偏差的观点，并强调了在动态海洋生态系统中测量浮游生物呼吸率时需要考虑的尺度依赖性和方法学问题。强调了对海洋浮游生物呼吸作用更深入理解的重要性，这对于预测气候变化对海洋生态系统的影响和制定相应的环境政策具有重要意义。


Unisense微呼吸系统的应用


Unisense微呼吸系统被用来连续监测在实验过程中溶解氧浓度的变化，以测定海洋浮游生物的暗社区呼吸率（DCR）。使用80毫升的硼硅酸盐玻璃呼吸室，这些呼吸室被填充来自50升大瓶的海水。呼吸室的盖子设计有一个毛细孔，允许氧气微传感器进入，同时孔的大小足够小，以最小化样品与水浴中的水之间的氧气交换。在每次测量之前，使用两点校准法对微电极进行校准。校准使用的是0%饱和溶解氧浓度（抗坏血酸和氢氧化钠的溶液）和100%饱和溶解氧浓度（过滤并剧烈通气的海水）作为校准点，校准在原位温度下进行。将呼吸室放置在温度控制的水浴中，并确保完全黑暗。由于传感器对温度变化非常敏感，水浴设定的温度比原位温度高0.2°C，以避免孵化开始时可能的急剧温度下降。在样品稳定之后（60-90秒），将微电极插入呼吸室盖子的毛细孔中，开始测量。每20秒记录一次溶解氧浓度，连续监测48小时。通过计算溶解氧浓度随时间下降的斜率来确定氧气消耗率。


实验结果


研究结果表明24小时的暗瓶孵化实验在125毫升的样本量下，并没有显示出系统性的偏差，无论是由于样本大小、所谓的“瓶子效应”还是氧气消耗率的非线性变化。通过将Unisense微电级系统连续监测的数据与Winkler方法得到的离散数据进行比较，研究发现两种方法在测量海洋浮游生物的暗社区呼吸率（DCR）方面是一致的，且微电级系统的数据在统计上与Winkler方法的数据没有显著差异。大多数情况下，从最小孵化时间到24小时，实验观察到的氧气消耗保持线性，这支持了之前研究中关于较长孵化时间内氧气消耗率恒定的发现。强调了浮游生物群落结构和呼吸率变化之间的复杂关系，并表明呼吸率的变化更多地受到生态因素的影响，而不是群体的遗传组成。

图1、里亚德维戈地图上的采样点位置。

图2.不同时间序列实验中的叶绿素a浓度和细菌丰度。

图3、不同时间序列实验中最常见的微型浮游生物群落的贡献。

图4、每个瓶子体积内的累积呼吸量以及不同孵化周期。

图5.使用氧气微电极测量的暗孵化期间（TS3n-TS5n）的连续氧减少。


结论与展望


海洋中浮游生物的生产与呼吸平衡的准确测定对于碳预算和全球变化预测非常重要。由于在不同尺度上测量这种平衡存在分歧，导致了对海洋营养状态的争议。尤其是在寡营养的开放海域中，24小时的孵化实验经常显示出净异养平衡，但类似的困难也出现在沿海系统中。这些结果因为可能存在的长期孵化时间和所谓的“瓶子效应”而受到批评。为了研究孵化时间和瓶子体积对浮游生物净代谢测量的影响，在西北伊比利亚沿海系统进行了一系列时间序列实验。通过标准体外溶解氧浓度变化和(2)氧气微传感器每20秒测量一次的氧浓度下降，同时获得了浮游生物群落呼吸率的测量结果。本研究结果反驳了24小时暗瓶孵化在125毫升体积下系统性偏见的说法，并强调了氧气微传感器在研究自然海洋浮游生物呼吸动态方面的有效性。本研究结果对支持使用unisense氧气微呼吸系统作为测量沿海海洋生态系统中浮游生物DCR的准确工具，并表明它们是评估呼吸率线性的可行选项。对于改进海洋生态系统中浮游生物呼吸作用的测量方法和理解其在全球碳循环中的作用具有重要意义。