應(yīng)用案例

Picarro G2308 在研究赫氏圓石藻通過光合作用對全球變暖產(chǎn)生影響中的應(yīng)用

發(fā)表時間：2024-08-09

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研究背景

甲烷（CH₄）是僅次于二氧化碳（CO₂）的第二大人類排放的溫室氣體。自工業(yè)時代以來，大氣中的甲烷濃度從工業(yè)化前的715ppbv增加到目前的約2000ppbv。雖然甲烷的濃度遠低于二氧化碳，但其全球變暖潛力（GWP）約為二氧化碳的30倍到80倍（視時間尺度而定）。因此，了解甲烷的來源對于預(yù)測未來的全球變暖趨勢和尋找減少溫室氣體排放的解決方案至關(guān)重要。

海洋是一個重要的甲烷源，但傳統(tǒng)上認為海洋表面排放的甲烷數(shù)量很少，這主要是因為大部分甲烷在水柱上升過程中被微生物氧化掉了。然而，最近的研究表明，即使在氧化的上層混合層中，海水中也經(jīng)常出現(xiàn)甲烷過飽和的現(xiàn)象，這暗示海洋甲烷的釋放量可能被低估了。

赫氏圓石藻（Emiliania huxleyi）是一種重要的海洋微藻，對海洋的初級生產(chǎn)有顯著貢獻，并且已知赫氏圓石藻能夠通過光合作用固定二氧化碳產(chǎn)生甲烷。然而，它與光合作用活動相關(guān)的甲烷產(chǎn)生量尚不明確。

研究目的

1. 量化赫氏圓石藻在不同光照條件下的甲烷釋放速率。

2. 確定甲烷釋放與光合作用和碳固定之間的關(guān)系。

3. 評估赫氏圓石藻的甲烷釋放對其海洋生物碳泵（BCP）貢獻的影響。

研究方法

研究者在人工海水中以批式或半連續(xù)培養(yǎng)模式培養(yǎng)微藻赫氏圓石藻，嚴(yán)格控制初始細胞密度，并使細胞適應(yīng)12小時光照和12小時黑暗的周期，以模擬自然環(huán)境中的晝夜變化。通過調(diào)整光照強度，觀察不同光照水平對微藻生長和甲烷產(chǎn)生的影響。

儀器應(yīng)用

研究者使用了Picarro G2308高精度氣體分析儀來測定培養(yǎng)體系中甲烷的濃度，該儀器能夠檢測低至1ppb的濃度變化，確保了痕量氣體測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

同時，使用Multi-color PAM熒光儀測量了葉綠素a的熒光參數(shù)，包括最大量子產(chǎn)率(Fv/Fm)、有效量子產(chǎn)率(Yield)和快速光曲線(RLCs)，以評估微藻的光合作用效率和電子傳遞速率。使用粒子計數(shù)器和大小分析儀監(jiān)測了細胞密度和直徑的變化，以得到微藻的特定生長率。此外，通過添加光合作用抑制劑DCMU，探究光合作用過程中電子傳遞對甲烷產(chǎn)生的影響。為了排除其他微生物可能對實驗結(jié)果的干擾，研究者采用了1.2 μm的PC膜過濾培養(yǎng)后的微藻細胞，然后在相同的光照和溫度條件下培養(yǎng)含有細菌的濾液，以測定異養(yǎng)產(chǎn)生的甲烷。同時，通過添加甲烷古菌抑制劑2-溴乙磺酸(2-BES)，進一步驗證了微藻自身產(chǎn)生的甲烷。

最后，研究者通過一系列生化分析，包括使用CHNS元素分析儀測定細胞的碳和氮含量，以及通過放射性同位素標(biāo)記技術(shù)測量光合作用碳固定率，全面評估了微藻的生理狀態(tài)和代謝活動。

通過這些綜合性的實驗設(shè)計和精確的測量技術(shù)，能夠詳細地分析赫氏圓石藻在不同光照條件下的甲烷產(chǎn)生機制，以及這一過程對海洋生物碳泵的潛在影響，為理解海洋生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中的作用提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

圖 1：赫氏圓石藻通過光合作用固定二氧化碳（CO₂）和釋放甲烷（CH₄）對全球變暖產(chǎn)生的拮抗反饋效應(yīng)，光合作用驅(qū)動的甲烷產(chǎn)量抵消了海洋生物炭泵固碳能力約13%

研究結(jié)論

實驗結(jié)果表明海洋微藻赫氏圓石藻的甲烷產(chǎn)生速率與光合作用相關(guān)，甲烷的產(chǎn)生速率隨著光照強度的增加而顯著上升。在實驗中，量化了赫氏圓石藻二氧化碳固定與甲烷釋放的反作用影響，甲烷的釋放量相對于二氧化碳固定的摩爾比在1.5×10^^-5到6.6×10^^-5之間，表明甲烷的排放對通過二氧化碳固定實現(xiàn)的海洋生物碳泵效應(yīng)有顯著抵消作用，最高可達13%。研究還發(fā)現(xiàn)，甲烷的生成可能由光合作用過程中產(chǎn)生的活性氧（ROS）驅(qū)動芬頓（Fention）反應(yīng)發(fā)生，甲基化的細胞內(nèi)代謝產(chǎn)物作為底物。不同的菌株對光照的適應(yīng)性不同，這導(dǎo)致了甲烷產(chǎn)生與光照強度之間關(guān)系的差異。這些發(fā)現(xiàn)表明，赫氏圓石藻在全球碳循環(huán)和氣候變化中的作用比此前認為的更加復(fù)雜和重要。

更多實驗數(shù)據(jù)請查看原文獻

https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4268781/v1

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原文鏈接

https://www.researchsquare.com/article/rs-4268781/v16