研究簡介:本研究探討了海洋酸化和升溫對珊瑚骨骼微生物侵蝕的影響。由于人類活動導(dǎo)致的二氧化碳增加，海洋表面吸收了更多的二氧化碳，導(dǎo)致海水pH下降，即海洋酸化。這種變化降低了碳酸根離子的濃度，減少了鈣碳酸鹽礦物相的飽和度，進而減少了珊瑚礁的沉積潛力。同時，溫室氣體的增加也導(dǎo)致海表溫度上升，可能對珊瑚礁生物的健康造成負面影響，導(dǎo)致珊瑚礁退化。研究中，珊瑚骨骼暴露于不同的二氧化碳濃度和溫度情景下，以模擬未來海洋環(huán)境。結(jié)果顯示，骨骼的溶解主要由光合微生物驅(qū)動，且在升高的二氧化碳-溫度情景下溶解率增加。特別是對于Porites cylindrica，其溶解率在高處理下的月溶解率顯著高于Isopora cuneata。此外，未來的二氧化碳-溫度情景對內(nèi)生群落結(jié)構(gòu)的影響僅在P.cylindrica中被識別，主要與綠色藻類Ostreobium spp.的豐度增加相關(guān)。增強的骨骼溶解與升高的二氧化碳-溫度情景下內(nèi)生生物量和呼吸作用的增加相關(guān)，表明未來海洋酸化和升溫可能導(dǎo)致微生物侵蝕速率的增加，對珊瑚礁碳酸鹽損失具有廣泛影響。研究強調(diào)了珊瑚骨骼結(jié)構(gòu)特性在決定海洋酸化和升溫影響中的重要性，并指出了保護珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

為了探索間隙水和體積海水之間pH的變異性，使用unisense快速響應(yīng)pH微電極和unisense實驗室系統(tǒng)在P.cylindrica骨架內(nèi)進行pH剖面測量。使用直徑0.5毫米的鉆頭在骨架表面鉆孔（在剖面之前3周），深度為5毫米。參考電極和pH微傳感器（500微米尖端直徑）連接到微傳感器放大器，再連接到計算機。使用三種NIST認證的pH緩沖液進行線性校準(zhǔn)。在實驗結(jié)束時，采用手動微操縱器在黑暗和光照條件下進行pH深度剖面測量。

實驗結(jié)論

研究表明在預(yù)計的海洋酸化和變暖情景下，內(nèi)生微生物在珊瑚骨骼溶解中起著主要作用。在升高的pCO2-溫度條件下，光合微生物對珊瑚骨骼的溶解作用可能比之前預(yù)測的更為變化，因為特定的珊瑚骨骼對未來情景的反應(yīng)不同。盡管如此，內(nèi)生微生物的影響在“照常營業(yè)”情況下將大于“減少”pCO2排放情景在實驗進行期間的影響。未來海洋的條件似乎影響了內(nèi)生微生物的生物學(xué)和生態(tài)反應(yīng)，導(dǎo)致珊瑚骨骼的溶解增加。這通過內(nèi)生藻類的生物量增加、群落結(jié)構(gòu)的變化和呼吸速率的提升得到了證明。

圖1、pCO2-溫度情景對（a）微生物侵蝕/鈣化（%）和（b）內(nèi)生藻類生物量（mg/cm2）在Isopora cuneata和Porites cylindrica骨骼中的影響。數(shù)據(jù)對應(yīng)于均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。鈣化數(shù)據(jù)對應(yīng)于在全暗條件下暴露的骨骼（每種處理n=20個樣本）。微生物侵蝕數(shù)據(jù)對應(yīng)于在自然光下的樣本（每種處理n=25個樣本）以及內(nèi)生藻類的生物量（每種處理n=15個樣本）。pCO2-溫度處理對應(yīng)于當(dāng)前條件（對照：約400μatm-24°C）和兩種IPCC預(yù)測情景（中等/B2：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm-+4°C）。

圖2、在三種CO2-溫度情景下，棲息在Isopora cuneata和Porites cylindrica最近死亡的珊瑚骨骼上的內(nèi)生藻類和表生藍細菌的相對豐度（%）。數(shù)據(jù)對應(yīng)于均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（每種處理n=10個切片）。pCO2-溫度處理對應(yīng)于當(dāng)前條件（對照：約400μatm-24°C）和兩種IPCC預(yù)測情景（中等/B2：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm+4°C）。

圖3、在三種pCO2-溫度情景下，內(nèi)生群落的響應(yīng)的主坐標(biāo)排序（PCO）（對照=圓圈；中等=方塊；高=三角形）在Isopora cuneata和Porites cylindrica的珊瑚骨骼中。pCO2-溫度處理對應(yīng)于當(dāng)前條件（對照：約400μatm-24°C）和兩種IPCC預(yù)測情景（中等/B2情景：+230μatm+2°C和高/A1FI：+610μatm+4°C）。兩個PCO軸解釋的方差的高百分比表明良好的二維排序。與兩個軸最好相關(guān)的分類群的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)（僅顯示R>0.5）作為矢量覆蓋顯示。

圖4、Isopora cuneata和Porites cylindrica骨骼的微生物侵蝕與內(nèi)生藻類的不同變量之間的關(guān)系。兩種類型的骨骼都暴露于三種pCO2-溫度情景（對照=圓圈；中等=方塊；高=三角形）。完整的數(shù)據(jù)集被繪制并由實線表示。微生物侵蝕率（mg/cm2·月）與內(nèi)生藻類的生物量（mg/cm2）之間的關(guān)系對于I. cuneata（R2 = 0.3094，P < 0.001）和P. cylindrica（R2 = 0.3560，P < 0.0001）。對于I. cuneata，中等和高情景的回歸在統(tǒng)計上顯著（R2 = 0.4009，P < 0.05 和 R2 = 0.3219，P < 0.05），而對于P. cylindrica（R2 = 0.2904，P < 0.05 和 R2 = 0.4790，P < 0.01）。微生物侵蝕（%）與Ostreobium spp.的相對豐度（n = 5個水箱）之間的關(guān)系，對于I. cuneata（R2 = 0.0696，P ns）和P. cylindrica（R2 = 0.3869，P < 0.05）。

圖5、在對照pCO2-溫度情景下測量的P.cylindrica骨骼內(nèi)pH的深度剖面（200μm步長），分別在黑暗（0μmol量子/m2·s=黑色圓圈）和光照條件下（900量子/m2·s=灰色圓圈）。實驗流速約為0.02 L/s。水平虛線標(biāo)記骨骼表面（0 mm深度），灰色區(qū)域?qū)?yīng)于骨骼內(nèi)部的測量（從0到2.4 mm），白色區(qū)域代表體積海水（從0到2.4 mm）。

結(jié)論與展望

生物介導(dǎo)的碳酸鹽溶解是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞的重要組成部分。雖然海洋酸化可以增加碳酸鹽基質(zhì)的溶解，但海洋酸化與升溫對珊瑚骨骼微生物侵蝕的綜合影響尚不清楚。在本研究中將建造珊瑚（Porites cylindrica和Isopora cuneata）的骨骼暴露于現(xiàn)今（對照：400μatm–24°C）和未來二氧化碳濃度-溫度情景（中等：+230μatm–+2°C；高：+610μatm–+4°C）。骨骼還在完全黑暗中經(jīng)歷了初始的次氯酸鈉浸泡和自然光下沒有次氯酸鈉浸泡，以隔離酸性海水的環(huán)境效應(yīng)（即，Ωaragonite<1）與光合微生物的生物效應(yīng)。結(jié)果表明，骨骼的溶解主要由光合微生物驅(qū)動，因為在黑暗中保持的樣本并未發(fā)生去鈣化。相反暴露于光下的骨骼在升高的二氧化碳-溫度情景下溶解率增加，P.cylindrica在高處理下的月溶解率（89%）高于I.cuneata（46%）。未來的二氧化碳-溫度情景對內(nèi)生群落結(jié)構(gòu)的影響僅在P.cylindrica中被識別，主要與綠色藻類Ostreobium spp.的豐度增加相關(guān)。增強的骨骼溶解也與升高的二氧化碳-溫度情景下內(nèi)生生物量和呼吸作用的增加相關(guān)。

未來的海洋酸化和升溫預(yù)測將導(dǎo)致微生物侵蝕速率的增加。然而生物侵蝕反應(yīng)的幅度可能取決于珊瑚骨骼的結(jié)構(gòu)特性，這對于在更溫暖和更酸性的海洋中珊瑚礁碳酸鹽損失具有廣泛的影響。

本研究中，Unisense微電極起到了關(guān)鍵作用，主要用于測量珊瑚骨骼內(nèi)部的pH變化，以評估微生物侵蝕過程中的化學(xué)條件，并提供了直接的pH測量數(shù)據(jù)，幫助研究人員深入理解了海洋酸化和升溫對珊瑚骨骼微生物侵蝕作用的影響，以及這些環(huán)境變化如何改變珊瑚骨骼內(nèi)部的化學(xué)條件。這些信息對于預(yù)測和理解全球氣候變化對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的長期影響至關(guān)重要。