研究简介:本研究探讨了海洋酸化和升温对珊瑚骨骼微生物侵蚀的影响。由于人类活动导致的二氧化碳增加，海洋表面吸收了更多的二氧化碳，导致海水pH下降，即海洋酸化。这种变化降低了碳酸根离子的浓度，减少了钙碳酸盐矿物相的饱和度，进而减少了珊瑚礁的沉积潜力。同时，温室气体的增加也导致海表温度上升，可能对珊瑚礁生物的健康造成负面影响，导致珊瑚礁退化。研究中，珊瑚骨骼暴露于不同的二氧化碳浓度和温度情景下，以模拟未来海洋环境。结果显示，骨骼的溶解主要由光合微生物驱动，且在升高的二氧化碳-温度情景下溶解率增加。特别是对于Porites cylindrica，其溶解率在高处理下的月溶解率显著高于Isopora cuneata。此外，未来的二氧化碳-温度情景对内生群落结构的影响仅在P.cylindrica中被识别，主要与绿色藻类Ostreobium spp.的丰度增加相关。增强的骨骼溶解与升高的二氧化碳-温度情景下内生生物量和呼吸作用的增加相关，表明未来海洋酸化和升温可能导致微生物侵蚀速率的增加，对珊瑚礁碳酸盐损失具有广泛影响。研究强调了珊瑚骨骼结构特性在决定海洋酸化和升温影响中的重要性，并指出了保护珊瑚礁生态系统面临的挑战。


Unisense微电极系统的应用


为了探索间隙水和体积海水之间pH的变异性，使用unisense快速响应pH微电极和unisense实验室系统在P.cylindrica骨架内进行pH剖面测量。使用直径0.5毫米的钻头在骨架表面钻孔（在剖面之前3周），深度为5毫米。参考电极和pH微传感器（500微米尖端直径）连接到微传感器放大器，再连接到计算机。使用三种NIST认证的pH缓冲液进行线性校准。在实验结束时，采用手动微操纵器在黑暗和光照条件下进行pH深度剖面测量。


实验结论


研究表明在预计的海洋酸化和变暖情景下，内生微生物在珊瑚骨骼溶解中起着主要作用。在升高的pCO2-温度条件下，光合微生物对珊瑚骨骼的溶解作用可能比之前预测的更为变化，因为特定的珊瑚骨骼对未来情景的反应不同。尽管如此，内生微生物的影响在“照常营业”情况下将大于“减少”pCO2排放情景在实验进行期间的影响。未来海洋的条件似乎影响了内生微生物的生物学和生态反应，导致珊瑚骨骼的溶解增加。这通过内生藻类的生物量增加、群落结构的变化和呼吸速率的提升得到了证明。

图1、pCO2-温度情景对（a）微生物侵蚀/钙化（%）和（b）内生藻类生物量（mg/cm²）在Isopora cuneata和Porites cylindrica骨骼中的影响。数据对应于均值±标准误。钙化数据对应于在全暗条件下暴露的骨骼（每种处理n=20个样本）。微生物侵蚀数据对应于在自然光下的样本（每种处理n=25个样本）以及内生藻类的生物量（每种处理n=15个样本）。pCO2-温度处理对应于当前条件（对照：约400μatm-24°C）和两种IPCC预测情景（中等/B2：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm-+4°C）。

图2、在三种CO2-温度情景下，栖息在Isopora cuneata和Porites cylindrica最近死亡的珊瑚骨骼上的内生藻类和表生蓝细菌的相对丰度（%）。数据对应于均值±标准误（每种处理n=10个切片）。pCO2-温度处理对应于当前条件（对照：约400μatm-24°C）和两种IPCC预测情景（中等/B2：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm+4°C）。

图3、在三种pCO2-温度情景下，内生群落的响应的主坐标排序（PCO）（对照=圆圈；中等=方块；高=三角形）在Isopora cuneata和Porites cylindrica的珊瑚骨骼中。pCO2-温度处理对应于当前条件（对照：约400μatm-24°C）和两种IPCC预测情景（中等/B2情景：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm+4°C）。两个PCO轴解释的方差的高百分比表明良好的二维排序。与两个轴最好相关的分类群的斯皮尔曼相关系数（仅显示R>0.5）作为矢量覆盖显示。

图4、Isopora cuneata和Porites cylindrica骨骼的微生物侵蚀与内生藻类的不同变量之间的关系。两种类型的骨骼都暴露于三种pCO2-温度情景（对照=圆圈；中等=方块；高=三角形）。完整的数据集被绘制并由实线表示。微生物侵蚀率（mg/cm²·月）与内生藻类的生物量（mg/cm²）之间的关系对于I. cuneata（R² = 0.3094，P < 0.001）和P. cylindrica（R² = 0.3560，P < 0.0001）。对于I. cuneata，中等和高情景的回归在统计上显著（R² = 0.4009，P < 0.05 和 R² = 0.3219，P < 0.05），而对于P. cylindrica（R² = 0.2904，P < 0.05 和 R² = 0.4790，P < 0.01）。微生物侵蚀（%）与Ostreobium spp.的相对丰度（n = 5个水箱）之间的关系，对于I. cuneata（R² = 0.0696，P ns）和P. cylindrica（R² = 0.3869，P < 0.05）。

图5、在对照pCO2-温度情景下测量的P.cylindrica骨骼内pH的深度剖面（200μm步长），分别在黑暗（0μmol量子/m²·s=黑色圆圈）和光照条件下（900量子/m²·s=灰色圆圈）。实验流速约为0.02 L/s。水平虚线标记骨骼表面（0 mm深度），灰色区域对应于骨骼内部的测量（从0到2.4 mm），白色区域代表体积海水（从0到2.4 mm）。


结论与展望


生物介导的碳酸盐溶解是珊瑚礁生态系统遭受破坏的重要组成部分。虽然海洋酸化可以增加碳酸盐基质的溶解，但海洋酸化与升温对珊瑚骨骼微生物侵蚀的综合影响尚不清楚。在本研究中将建造珊瑚（Porites cylindrica和Isopora cuneata）的骨骼暴露于现今（对照：400μatm–24°C）和未来二氧化碳浓度-温度情景（中等：+230μatm–+2°C；高：+610μatm–+4°C）。骨骼还在完全黑暗中经历了初始的次氯酸钠浸泡和自然光下没有次氯酸钠浸泡，以隔离酸性海水的环境效应（即，Ωaragonite<1）与光合微生物的生物效应。结果表明，骨骼的溶解主要由光合微生物驱动，因为在黑暗中保持的样本并未发生去钙化。相反暴露于光下的骨骼在升高的二氧化碳-温度情景下溶解率增加，P.cylindrica在高处理下的月溶解率（89%）高于I.cuneata（46%）。未来的二氧化碳-温度情景对内生群落结构的影响仅在P.cylindrica中被识别，主要与绿色藻类Ostreobium spp.的丰度增加相关。增强的骨骼溶解也与升高的二氧化碳-温度情景下内生生物量和呼吸作用的增加相关。


未来的海洋酸化和升温预测将导致微生物侵蚀速率的增加。然而生物侵蚀反应的幅度可能取决于珊瑚骨骼的结构特性，这对于在更温暖和更酸性的海洋中珊瑚礁碳酸盐损失具有广泛的影响。


本研究中，Unisense微电极起到了关键作用，主要用于测量珊瑚骨骼内部的pH变化，以评估微生物侵蚀过程中的化学条件，并提供了直接的pH测量数据，帮助研究人员深入理解了海洋酸化和升温对珊瑚骨骼微生物侵蚀作用的影响，以及这些环境变化如何改变珊瑚骨骼内部的化学条件。这些信息对于预测和理解全球气候变化对珊瑚礁生态系统的长期影响至关重要。