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大气中的二氧化碳(Carbon dioxide,CO2)溶解到海水中会导致其碳酸盐系统平衡改变,包括海水中二氧化碳分压(Partial pressure of carbon dioxide,pCO2)的升高和海水pH值的下降,该过程被称为海洋酸化。束毛藻是生活于热带与亚热带寡营养盐海域的固氮蓝藻,它对海洋初级生产力及海洋氮循环有着极为重大的影响。迄今为止,已经有许多关于海洋酸化对束毛藻影响的研究,但是,由海洋酸化过程带来的海水pCO2升高和pH值的下降分别将如何影响束毛藻,目前尚不清楚。本课题通过改变人工海水中总溶解无机碳(Dissolved inorganic carbon,DIC)的浓度及pH值,调节其pCO2和pH值至特定条件(pCO2为800 μatm和400 μatm;pH值为8.1和7.8),观测培养于不同条件下的束毛藻生长情况和固氮速率、固碳速率、细胞质pH值及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulosebisphosphate carboxylase oxygenase,RubisCO)的半饱和常数(Km)等参数,初步探索海洋酸化过程所造成的pCO2升高和pH下降对束毛藻的影响及其机理。获得的主要研究结果如下:1.调控pCO2和pH分别变动的方法。本课题选择了同时调节人工海水中DIC浓度和碱度(Total Alkalinity,TA)的方法,即在调节人工海水中碳酸氢钠(NaHCO3)量的同时,使用氢氧化钠或盐酸调节系统内的pH值,并证实了该方法的可行性。2.不同pCO2和pH下束毛藻的生长和固氮作用。一方面,海洋酸化过程带来的海水pCO2升高对束毛藻的生长速率和固氮速率有促进的作用;另一方面,海水pH值的下降会使束毛藻的生长速率和固氮速率降低。同样条件下,束毛藻细胞的颗粒有机碳/氮(Particle organic carbon/nitrogen,POC/PON)含量的变化趋势与生长速率和固氮速率的变化趋势相同。总体而言,海水pH下降带来的负效应超过了pCO2升高带来的正效应,海洋酸化的过程会抑制束毛藻的生长和固氮作用。3.束毛藻的生长及固氮作用变化的原因。(1)在海洋酸化过程带来的pCO2上升的过程中,束毛藻的RubisCO的Km显著升高,说明在高pCO2条件下束毛藻二氧化碳浓缩机制(Carbon concentrating mechanisms,CCM)显著下调,所以能从该过程中节省更多的能量用于其他代谢,从而提高了束毛藻的生长及固氮速率;(2)海水pH值下降会使束毛藻细胞质pH值下降,影响束毛藻的胞内pH稳态,并使束毛藻的固氮效率下降。简而言之,在未来海洋环境中,海洋酸化带来的pH值的下降对束毛藻产生的负效应会超过pCO2升高带来的正效应。该工作的研究意义在于,(1)采用控制变量法调控人工海水的碳酸盐系统,以此进行区分海洋酸化带来的pCO2和pH改变对束毛藻的影响,具体操作为保持pCO2或者 pH 恒定(pCO2 为 800 μatm 和 400 μatm;pH 值为 8.1 和 7.8),同时改变DIC浓度对碳酸盐系统进行控制;(2)实验结果显示束毛藻对高pCO2的响应虽然敏感,但对该影响因素的敏感程度却不如pH降低对其产生的影响。本文阐释了以往关于海洋酸化对束毛藻研究中产生不同现象的原因。在未来研究中,本课题中的人工海水碳酸盐体系调整方法还能够运用至其他浮游植物乃至海洋生物,来区分海水pCO2和pH变化对海洋生物的生理影响和生态作用,以更加深入地了解海洋酸化过程所带来的影响。