研究简介:人类使用化石燃料和毁林等活动导致大气中二氧化碳（CO2）浓度增加了36%并且保持着约0.5%的年增长速度，而其中的约30%被海洋所吸收，大气CO2浓度升高会对海洋生物的钙化过程产生一定的影响，而大气CO2浓度升高导致的海水pH值降低会极大的改变海洋碳酸盐系统，导致海螺、珊瑚这样以碳酸钙为主要发育条件的外骨骼海洋生物就将面临被海水溶解的风险。钙化藻类（珊瑚）对pH值变化的响应是大气CO2浓度升高导致海水酸化引起的生态效应一个主要方面，pH值的变化会影响到CaCO3的饱和度，进而影响珊瑚藻的钙化速率，本论文主要研究了应用微电极实现了对于海洋珊瑚体内的pH以及碳酸根离子的原位测试，首次通过测试珊瑚体内的pH对于珊瑚体内的碳酸根离子浓度的影响，从而研究因为全球气候变暖导致的海洋酸化对于珊瑚的钙化的影响以及其钙化的机制研究。


Unisense PH微电极系统的应用


应用了unisense的pH微电极，所使用的pH微电极尖端直径都为10微米，将微电极与剖面显微镜联用使用，应用微电极测试了珊瑚虫体内的不同深度位置区域的pH的浓度分布情况，从而实现了对于珊瑚虫的体内的pH的原位测试。


实验结果


本论文结合使用了微电极与其他相关技术研究了珊瑚虫表面以及珊瑚虫胃腔以及珊瑚虫腔体内的pH和碳酸根离子浓度的分布情况，并结合所测试的数据分析了解珊瑚的钙化原理。研究发现海洋中的二氧化碳的扩散是珊瑚虫体内的溶解性无机碳的重要供应途径，并且可以使其周围的钙化流体内的保持较低的浓度，从而导致珊瑚虫周围的钙化流体较高的pH。珊瑚内部高浓度的DIC以及较低的pH值可导致珊瑚体内形成较高的碳酸盐饱和态。

图1、a)表示的是应用微电极测试珊瑚体表面以及珊瑚体腔内的pH的实验过程实验图b)表示的是使用氢气微电极测试珊瑚虫体表以及体内的pH获取的其pH剖面图，其中红色圆圈表示的是第一次测试，蓝色三角形表示的是第二次测试，黄色小说的是测试电极折断。从图中可以看出，在珊瑚虫体表面的pH大于珊瑚虫体内的pH,并且离珊瑚虫表面越远，其pH值越小，越靠近表面，其pH值越大。

图2、使用pH微电极测试珊瑚虫表面以及其胃腔体内的不同位置处的pH浓度分布，图a表示的是大叶珊瑚腔体以及珊瑚表面不同位置处的pH分布情况，不同图形代表的是第1、2、3使用氢气微电极测试的珊瑚体的pH剖面图,图B表示的是火珊瑚腔体以及珊瑚表面不同位置处的pH，不同图形代表的是第1、2、3使用氢气微电极测试的珊瑚体的pH剖面图。从图种可以明显的看出，珊瑚虫腔体内的pH较小，而溶解性碳酸根离子浓度较大。

图3、珊瑚虫体内部的pH以及碳酸根的剖面分析图。其他图a表示的是圆形珊瑚体内不同位置处测试的珊瑚虫体内的pH分布图，图b表示的是圆形珊瑚体碳酸根离子浓度的剖面图。图c表示的是甲状珊瑚虫和高顶珊瑚虫体内的pH剖面图。图d表示的是甲状珊瑚虫和高顶珊瑚虫体内的碳酸根离子浓度剖面图。从图中可以看出，珊瑚虫体内的pH较小，而珊瑚体内的碳酸根离子浓度呈现离珊瑚表面越远其浓度变大。

图4、a)表示的是珊瑚虫体内钙化机制以及海水中的二氧化碳是如何扩散进入珊瑚腔体的概念模型图。图b表示的是所测试珊瑚体不同位置处的溶解性无机碳（DIC）、二氧化碳浓度的分布示意图。从图a可以看出，珊瑚腔体内的pH较小，而靠近珊瑚腔体外pH值较大。

图5、霰石（一种亚稳态的CaCO3）矿物饱和状态以及珊瑚钙化液中的缓冲指数（溶解性有机碳、pH）。其中图a表示的是不同pH环境和不同DIC浓度对应的霰石矿物参数。图b表示的是不同pH环境和不同DIC浓度对应的霰石矿物参数搜对应的TA与pH比值参数的变化情况。


结论与展望


全球气候变暖导致的大气中的二氧化碳浓度升高，而大气CO2浓度升高导致的海水pH值降低会极大的改变海洋碳酸盐系统，尤其是会威胁珊瑚礁生存环境，因为酸化的海水会使珊瑚形成的碳酸盐骨骼溶解，从而导致珊瑚礁大面积死亡。越来越多的学者开始关注温室气体CO2浓度的变化对于海洋珊瑚的影响。本论文通过使用了unisense氢气微电极以及定制制备的碳酸根离子电极测试了珊瑚虫表面以及体内不同位置处的pH值以及碳酸根离子浓度变化情况，结合其他相关测试技术，了解海洋内的二氧化碳扩散以及珊瑚体内的pH对于珊瑚体内溶解性无机碳（DIC）浓度的影响，提出了关于珊瑚的钙化机制是如何应对因气候变化导致的海洋环境变化带来的生存压力。从这篇研究报道中可以看出微电极测试技术测试的碳酸根离子浓度、pH浓度的剖面数据为研究者研究珊瑚的钙化机制提供了充分的数据支持，从而使相关研究者能够准确快速的分析出珊瑚如何应对因气候变化导致其生产环境的变化带来的生存影响，这也表明微电极系统在研究海洋珊瑚生态学领域存在着非常好的应用前景。