研究简介:海草草甸是水生环境中重要的生态系统。海草草甸是高产栖息地，维持着无脊椎动物、鱼类和海洋哺乳动物的高度生物多样性，并且是幼鱼的重要繁殖地。沿海富营养化是对海草生态系统的主要威胁。它刺激海草叶子上的附生植物过度生长，影响叶子微环境，导致植物出现极端的叶子理化条件。附生生物膜中微生物群落的活动是驱动海草叶际动态的重要因素，其中附生植物呼吸和光合作用强烈影响海草叶微环境内必需溶质和气体的浓度，并且微生物竞争溶解的无机物白天大量消耗碳，夜间大量消耗氧气，导致附生生物量和海草光合作用之间往往呈负相关关系。附生植物还可以阻碍叶表面的水流，阻碍湍流运输，并通过分子扩散减缓海草叶与周围水之间的溶质交换。附生植物层厚度与附生植物/海水界面上方的扩散边界层（DBL）厚度一起构成总扩散距离（TDD）。有附生植物的叶子上的TDD比裸叶大得多（通常厚10倍），因此延长了分子扩散时间并限制了海草叶子与周围水体之间的养分和气体交换。高O2和低CO2水平增强了促进光呼吸的RuBisCO加氧酶活性，从而进一步降低了海草叶片的光合效率。然而附生生物膜的生物活性在多大程度上有助于叶际动力学并影响海草叶的光合作用和无机碳可用性仍然很大程度上未知。在本研究中，研究人员使用预先灭菌的琼脂基质来模拟海草叶子上的“非活性”附生生物膜，该生物膜阻碍了传质，但不具有微生物活性。比较了相似厚度的天然“活性”和人造“非活性”生物膜，以区分附生微生物活性和传质阻抗对海草叶片光合作用和呼吸以及无机碳有效性的影响。我们还对裸露的海草叶子和去除附生生物膜的叶子进行了比较测量。


Unisense微电极研究系统的应用


使用unisense的O2和pH微电极传感器来测量浓度梯度并计算海草叶子周围的化学通量。将氧气和pH微电极传感器、参考电极连接到多通道微传感器主机上（Unisense A/S，丹麦），并将微传感器安装在电动显微马达控制器系统（Unisense A/S，丹麦）上。多通道微传感器系统和微操纵器都连接到电脑上，其中数据采集和传感器定位通过软件（SensorSuite Profiler v3.2，Unisense A/S，丹麦）进行控制。微传感器的定位是相对于海草叶表面的，这是通过手动操作显微操纵器同时通过立体显微镜观察叶表面和微传感器尖端来确定的。


实验结果


研究发现附生生物膜中的微生物活性主要影响海草叶在光下的化学微环境导致高O2和pH条件以及无机碳的强烈消耗，从而导致海草植物的低碳可用性。此外去除附生植物的叶子产生的氧气比裸叶少，因此表现出较低的光合作用能力。在碱化叶际中，CO2浓度相对较低，对能量HCO3-利用的需求增加，限制了叶片的光合作用，而O2高而低。细胞内CO2浓度会增加光呼吸，进一步降低光合效率。在富营养化的沿海水域，带有附生生物膜的海草叶子过度生长，导致TDD较厚和微生物活性较强，从而导致海草叶子化学微环境发生剧烈的昼夜变化，对海草性能产生负面影响，因此对海草构成潜在危害健身和重要的生态系统功能。

图1、实验设置图。(A)固定在显微镜载玻片上的裸露海草叶（绿色）和附生植物叶（棕色）的示例。(B)立体显微镜前的流动室中的叶子碎片，以及安装在海草叶子样本上方的电动显微操作器上的微传感器。(C)将裸露的海草叶子和去除附生植物的叶子放入由载玻片制成的定制模具中，以成型并确定琼脂封装的体积/高度。

图2、在黑暗条件下测量带有附生植物(epi)的海草叶子和去除附生植物(epi-removed)并用琼脂覆盖的叶子(A)以及裸露叶子和去除附生植物的叶子(B)的氧气浓度分布（0μmol光子m-2 s-1）和光（230μmol光子m-2 s-1）。虚线表示总扩散距离（即叶子、生物膜或老化物的表面+扩散边界层）。

图3、在带有附生植物(epi)的海草叶子和去除附生植物(epi-removed)并用琼脂覆盖的叶子(A)以及裸叶和在黑暗中去除附生植物的叶子(B)上测量的pH曲线（0μmol光子m-2 s-1）和光（230μmol光子m-2 s-1）。虚线表示总扩散距离（即叶子、生物膜或老化物的表面+扩散边界层）。

图4、带有附生植物(epi)的海草叶子和去除附生植物(epi-removed)并用琼脂覆盖的叶子(A)以及裸露叶子和带有附生植物的叶子上计算的CO2分布在黑暗（0μmol光子m-2 s-1）和光（230μmol光子m-2s-1）中移除(B)。误差线表示SEM；n=15（使用Epi、去除Epi和去除Epi+琼脂进行复制），n=12（裸叶）。根据测得的pH微分布和海水中总DIC测量值计算得出。

图5、海草叶表面测量的O2通量(A)，估计的碳通量为叶表面CO2和HCO3−通量之和(B)，在黑暗中（0μmol光子m-2 s-1，蓝色）和光（230μmol光子m-2 s-1，橙色）。误差线表示根据Student t分布的95%置信水平的置信区间；n=15（使用Epi、去除Epi和去除Epi+琼脂进行复制），n=12（裸叶）。正值表示流出，负值表示穿过相应界面的流入。请注意，在图b中，由于pH微传感器的空间分辨率有限（平均值已标记），实际上不可能计算除去附生植物的叶子和裸叶的总碳通量，两者的DBL都非常薄。


结论与展望


本论文研究了海草叶子上的附生生物膜可能会导致封装叶子的极端微环境条件限制其光合作用和呼吸作用。然而人们对生物膜本身的生物活性如何改变海草叶际微环境和动态知之甚少。研究人员使用unisense微电极剖面系统测量了O2浓度和pH梯度，并计算覆盖有人工、非活性生物膜和天然附生生物膜的海草叶周围O2、CO2和碳酸氢盐的通量。研究人员比较了“活性”和“非活性”生物膜的O2和无机碳的浓度分布和通量，以研究海草叶生物膜中微生物活性和分子扩散的影响。在光照下，生物膜不活跃的叶片O 2通量仅为生物膜活跃叶片的31%，表明生物膜内微生物群落的光合作用占了O2浓度分布和O2通量几乎相同。在光照下“活性”生物膜的pH值增加了约1.0，“非活性”生物膜的pH值增加了约0.3个单位，并且与在黑暗中相比，两者都显示出约0.3个pH单位的下降。通过测量表明附生植物层中强烈的光合作用驱动了叶际碱化和无机碳限制。与叶表面CO 2浓度13.8μmol相比，计算得出的叶表面附生生物膜中CO2浓度在光照下降低至0.09μmol·L-1 L-1，裸露海草叶片上的CO2流入量仅为O 2流出量的3.0%和5.4%。光流入量占海草叶总无机碳流入量的91-97%，尽管通过CO2利用集中机制是消耗能量的。除了增加传质阻抗外，叶附生生物膜活性还通过诱导更高的O 2浓度和pH、增加CO2限制并降低叶光合作用效率，强烈影响光下海草叶的微环境。