海水pH對(duì)顆石藻生長(zhǎng)以及二甲基硫產(chǎn)生的影響?

于 娟, 趙麗軍, 楊桂朋, 田繼遠(yuǎn), 劉 偉, 許超平

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266109；3. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071)

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海水pH對(duì)顆石藻生長(zhǎng)以及二甲基硫產(chǎn)生的影響?

于 娟1, 趙麗軍1, 楊桂朋1, 田繼遠(yuǎn)2??, 劉 偉3, 許超平1

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266109；3. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071)

海洋酸化是目前海洋環(huán)境所面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題之一，而鈣化藻-顆石藻(Emilianiahuxleyi)是大洋中二甲基硫(Dimethylsulfide， DMS)產(chǎn)生的主要藻種。本文初步研究了3種海水pH(8.1、7.9、7.7)對(duì)顆石藻生長(zhǎng)、細(xì)胞直徑以及DMS/DMSP(Dimethylsulfoniopropionate，二甲基巰基丙酸內(nèi)鹽)產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明3種pH(8.1、7.9、7.7)條件下顆石藻的細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)率沒(méi)有顯著差異，顆石藻培養(yǎng)第10天的掃描電鏡細(xì)胞形態(tài)以及藻細(xì)胞直徑測(cè)定結(jié)果顯示，pH=7.9和pH=7.7的顆石藻直徑比pH=8.1的顆石藻直徑顯著降低；顆石藻DMS總量、單細(xì)胞DMS/單細(xì)胞DMSP產(chǎn)量在3種pH(8.1、7.9、7.7)中兩兩之間沒(méi)有顯著差異；而pH=7.7的DMSP總量顯著低于pH=8.1的DMSP總量。Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明，細(xì)胞分裂導(dǎo)致3種pH的單細(xì)胞DMSP含量與細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)率均呈負(fù)相關(guān)，3種pH的總DMS/總DMSP含量與細(xì)胞密度均呈正相關(guān)。CO2濃度升高引起的海洋酸化不僅導(dǎo)致pH降低，而且海水中的碳酸鹽體系也會(huì)發(fā)生變化，因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到現(xiàn)實(shí)環(huán)境時(shí)還要考慮碳酸鹽體系變化對(duì)DMS產(chǎn)生的影響。

顆石藻； pH； DMS； DMSP

人類對(duì)化石能源的消耗導(dǎo)致大氣CO2濃度從工業(yè)革命前的0.028kPa增加至現(xiàn)在的0.04kPa[1]。海洋是大氣CO2最大的庫(kù)之一，大約1/3大氣CO2通過(guò)海氣交換被海洋吸收[2]，由此改變海水碳酸鹽平衡并且降低海水pH。與工業(yè)革命前相比，目前海水表層pH降低了0.1個(gè)單位[3]，到本世紀(jì)末估計(jì)會(huì)降低0.4個(gè)pH單位[4]。大氣CO2濃度升高導(dǎo)致的海洋酸化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)尤其是鈣化生物(如珊瑚、有孔蟲(chóng)、顆石藻等)產(chǎn)生了極大的威脅。

二甲基硫是一種重要的生源硫氣體，DMS的釋放能夠形成云凝結(jié)核(Cloud Condensation Nuclei，CCN)，將會(huì)對(duì)全球溫室效應(yīng)產(chǎn)生負(fù)反饋[5]。DMSP是DMS的前身，DMSP能夠經(jīng)DMSP裂解酶按照1∶1的比例分解成DMS和丙烯酸鹽。DMSP在海洋中主要來(lái)源于浮游植物[6]，而各種浮游植物的DMSP含量具有很大差別，顆石藻(Emilianiahuxleyi)和棕囊藻(Phaeocystis)是DMSP的主要生產(chǎn)者。DMSP的合成受許多因素的影響，如光照、鹽度、溫度、氮限制等[7-9]。有關(guān)浮游植物DMSP的合成或DMS的產(chǎn)生目前國(guó)外的研究主要涉及的浮游植物有顆石藻[7,10]、棕囊藻[11-12]，包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和圍隔實(shí)驗(yàn)，而國(guó)內(nèi)目前主要局限于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，主要研究了各種理化因子對(duì)顆石藻、棕囊藻、赤潮藻、旋鏈角毛藻和小普林藻等的DMS產(chǎn)生的影響，并研究了藻在不同生長(zhǎng)時(shí)期DMS/DMSP的產(chǎn)生規(guī)律，探討了制約DMS/DMSP產(chǎn)生的影響因素[13-19]。顆石藻是一種鈣化藻，是主要的碳酸鹽制造者，其獨(dú)特的生理生態(tài)功能對(duì)全球氣候變化具有重要影響，在海洋碳循環(huán)過(guò)程中扮演著重要角色。研究表明，海洋酸化對(duì)顆石藻的生長(zhǎng)、光合作用、鈣化率等均會(huì)產(chǎn)生一定的影響[20-21]，Gao等[21]指出，pH降低會(huì)導(dǎo)致顆石藻細(xì)胞大小、顆石層厚度和鈣化率減小。海洋酸化對(duì)顆石藻生理生化的影響進(jìn)一步影響DMS(P)產(chǎn)量，近幾年國(guó)外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注海洋酸化對(duì)DMS(P)生物地球化學(xué)循環(huán)的影響，但研究結(jié)果并不一致，海洋酸化(或CO2濃度升高)可能會(huì)導(dǎo)致浮游植物DMSP濃度降低、升高或沒(méi)有明顯變化[22-24]。截止目前，海洋酸化對(duì)顆石藻DMS產(chǎn)生的影響及作用機(jī)制尚不明確。

為此，本論文研究了不同pH(8.1、7.9和7.7)條件下，顆石藻在生長(zhǎng)周期內(nèi)的生長(zhǎng)、DMS/DMSP釋放的情況，對(duì)于了解顆石藻對(duì)海洋酸化的響應(yīng)以及預(yù)測(cè)碳循環(huán)、硫循環(huán)及未來(lái)全球氣候變化具有深遠(yuǎn)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藻種及藻的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)所用顆石藻Emilianiahuxleyi由中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院海洋界面化學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明人工海水培養(yǎng)的顆石藻生長(zhǎng)狀態(tài)優(yōu)于天然海水培養(yǎng)的顆石藻，所以本實(shí)驗(yàn)采用人工海水培養(yǎng)顆石藻。2 000 mL三角燒瓶中加入1 500 mL人工海水在121 ℃高壓滅菌20 min后加入f/2培養(yǎng)基，接入指數(shù)生長(zhǎng)期的顆石藻使其接種密度大約為0.6×108cells/L，將藻液置于光照培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為：明暗周期為12 h∶12 h，光照強(qiáng)度為4 000 lx，溫度為(15±0.5)℃，每天定時(shí)搖瓶。

1.2 pH的測(cè)定與調(diào)節(jié)

根據(jù)Hama[25]報(bào)道，在培養(yǎng)液中充入濃度為800×10-6和1200×10-6的CO2，15 d內(nèi)培養(yǎng)液的pH分別在7.76～7.85和7.61～7.70范圍內(nèi)波動(dòng)。所以，本研究設(shè)定3個(gè)pH水平(8.1、7.9、7.7)，將顆石藻接入3種pH的培養(yǎng)液中，每天用pH計(jì)(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)測(cè)定并監(jiān)測(cè)培養(yǎng)液的pH，用0.1 moL·L-1鹽酸和0.1 moL·L-1的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，使pH分別為7.7、7.9、8.1，使1 d的pH波動(dòng)保持在0.08個(gè)pH單位。

1.3 藻細(xì)胞密度和比生長(zhǎng)率的測(cè)定

取1 mL藻液，加入魯戈氏碘液固定藻細(xì)胞，在光學(xué)顯微鏡下用血球計(jì)數(shù)板進(jìn)行計(jì)數(shù)。

比生長(zhǎng)率按以下公式計(jì)算：μ=ln(Cn/C0)/(Tn-T0)，其中，μ為比生長(zhǎng)率；Cn和C0分別代表第n和第0天的細(xì)胞密度；Tn和T0分別代表培養(yǎng)第n和第0天。

1.4 細(xì)胞形態(tài)的掃描電鏡觀察以及細(xì)胞直徑的測(cè)定

顆石藻生長(zhǎng)到第10天，將50 mL藻液離心，取藻泥用戊二醛固定，酒精梯度脫水，用100%乙酸異戊酯置換2次，放入臨界點(diǎn)干燥儀(日立HCP-2)中干燥，再真空噴金(日立IB.3)，用掃描電鏡(KYKY2800B)觀察并拍照。

藻細(xì)胞直徑的測(cè)定：顆石藻生長(zhǎng)到第10天，用目鏡測(cè)微尺測(cè)定至少50個(gè)顆石藻的細(xì)胞直徑，取其平均值。

1.5 DMS和DMSP的測(cè)定

1.5.1 藻液中DMS含量的測(cè)定 參照Yang等[26]的DMS測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)定。采用吹掃捕集-冷阱富集前處理技術(shù)，將一定體積的原藻液或者稀釋后的藻液樣品用玻璃注射器注入氣提室，用高純氮?dú)鈱⒃逡褐械腄MS吹掃出來(lái)，經(jīng)干燥管干燥后進(jìn)入浸在液氮中的捕集管中濃縮，再經(jīng)過(guò)沸水浴加熱解析。解析出來(lái)的氣體被載氣攜帶進(jìn)入氣相色譜儀(GC-14B，日本島津)，最后用火焰光度檢測(cè)器(FPD)進(jìn)行檢測(cè)。

1.5.2 藻液中DMSP含量的測(cè)定 取10 mL藻液置于40 mL棕色小瓶中并加入2 mL 10 mol·L-1的NaOH溶液，避免頂空(加蒸餾水除頂空)置于4 ℃冷藏環(huán)境下將DMSP堿解至少24 h后測(cè)定其中的DMS含量。DMSP的濃度為堿解后測(cè)得的樣品瓶中DMS濃度減去未堿解藻液中測(cè)得的DMS濃度。

1.6 數(shù)據(jù)分析

顆石藻生長(zhǎng)和DMS(P)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)設(shè)定3個(gè)平行樣，將不同pH的細(xì)胞密度、DMS/DMSP用SPSS 11.5軟件進(jìn)行paired samplet-檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 海水pH對(duì)顆石藻細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)率的影響

pH=7.7和pH=7.9條件下培養(yǎng)的顆石藻在4～14 d之間處于指數(shù)生長(zhǎng)期，而pH=8.1在4～12 d之間處于指數(shù)生長(zhǎng)期。pH=7.7、pH=7.9、pH=8.1的藻細(xì)胞密度持續(xù)增加，分別在第14、14、12天達(dá)到最高值(pH=7.7，13.7×108cells/L；pH=7.9，12.2×108cells/L；pH=8.1，14.2×108cells/L)，隨后，顆石藻達(dá)到平臺(tái)期或衰亡期，藻細(xì)胞密度保持穩(wěn)定或降低(見(jiàn)圖1A)。pH=7.7、pH=7.9、pH=8.1的藻細(xì)胞密度兩兩之間均沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

在0～4 d內(nèi)，3種pH條件下培養(yǎng)的顆石藻的比生長(zhǎng)率(μ)快速增加。pH=7.7與pH=7.9的比生長(zhǎng)率在4～20 d中逐漸降低，而pH=8.1的比生長(zhǎng)率在0～8 d逐漸升高，在8～20 d逐漸降低。pH=7.7、pH=7.9、pH=8.1培養(yǎng)的顆石藻分別在第4、4、8天時(shí)比生長(zhǎng)率達(dá)到最大值，依次為0.323、0.368、0.314(見(jiàn)圖1B)。pH=7.7、pH=7.9、pH=8.1的比生長(zhǎng)率兩兩之間均沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

2.2 海水pH對(duì)顆石藻細(xì)胞形態(tài)和直徑的影響

3種pH(7.7、7.9、8.1)處理的顆石藻掃描電鏡細(xì)胞形態(tài)結(jié)果中，顆石藻呈卵球狀，細(xì)胞膜外包有黏膠質(zhì)外層，且表面有微小的晶體薄片(即顆石)，由于黏膠質(zhì)外層未完全脫落所以顆石片層結(jié)構(gòu)不是很明顯(見(jiàn)圖2)。pH=7.7、pH=7.9、pH=8.1的顆石藻的平均直徑依次為2.7、2.7和3.2 μm，pH=7.7和pH=7.9的顆石藻的平均直徑顯著低于pH=8.1的顆石藻平均直徑(P<0.05)。

2.3 海水pH對(duì)顆石藻DMS與DMSP產(chǎn)量的影響

2.3.1 海水pH對(duì)顆石藻總DMS產(chǎn)量的影響 隨著顆石藻培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，總DMS產(chǎn)量有不斷升高的趨勢(shì)。pH為7.7、7.9、8.1的顆石藻的總DMS產(chǎn)量的變化范圍為6.1～241.3、9.5～230.3、8.6～287.7 nmol·L-1(見(jiàn)圖3A)，第20天的總DMS產(chǎn)量分別是第0天的總DMS產(chǎn)量的39.6、24.2、33.5倍。總DMS產(chǎn)量在pH=7.7與pH=7.9、pH=7.7與pH=8.1、pH=7.9與pH=8.1之間均沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。

圖1 3種pH下顆石藻細(xì)胞密度(A)和比生長(zhǎng)率(B)的變化

pH為7.7、7.9、8.1條件下培養(yǎng)的顆石藻單細(xì)胞DMS產(chǎn)量變化范圍依次為(0.09～0.35)、(0.05～0.19)、(0.04～0.22)×10-15mol/cell，并且在0～20 d內(nèi)沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，但3種pH的單細(xì)胞DMS的釋放量變化趨勢(shì)基本一致，都表現(xiàn)為衰亡期的單細(xì)胞DMS產(chǎn)量比對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的單細(xì)胞DMS產(chǎn)量升高(見(jiàn)圖3B)。單細(xì)胞DMS的釋放量在3種pH兩兩之間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.3.2 海水pH對(duì)顆石藻藻液中DMSP含量的影響 pH為7.7、7.9、8.1條件下顆石藻的總DMSP含量變化范圍依次為8.1～2581.2、4.4～4 895.0、6.7～4 753.4 nmol·L-1，并且在初始階段總DMSP含量都是持續(xù)升高，分別在第8、6、8天達(dá)到峰值，隨后總DMSP濃度下降、再升高(見(jiàn)圖4A)。顆石藻的總DMSP含量在pH=7.7與pH=7.9、pH=7.9與pH=8.1之間都沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，而pH=7.7的總DMSP含量顯著低于pH=8.1的總DMSP含量(P<0.05)。

3種pH(7.7、7.9、8.1)條件下顆石藻單細(xì)胞DMSP含量的變化范圍依次為(0.009 6～1.45)、(0.053～2.83)、(0.019～1.89)×10-15mol/cell，并且在0～6 d內(nèi)逐漸降低，在第6天達(dá)到最小值，在6～20 d顆石藻單細(xì)胞釋放DMSP的量呈現(xiàn)升高、降低、再升高的變化規(guī)律(見(jiàn)圖4B)。顆石藻單細(xì)胞釋放DMSP的量在3種pH兩兩之間均無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖2 3種pH培養(yǎng)第10天的顆石藻的掃描電鏡結(jié)果

2.4 相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，3種pH條件下單細(xì)胞DMSP含量與細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)率均呈負(fù)相關(guān)。其中，pH=7.7和pH=8.1時(shí)，單細(xì)胞DMSP含量與細(xì)胞密度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；pH=7.9和pH=8.1時(shí)，單細(xì)胞DMSP含量與比生長(zhǎng)率呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。3種pH的總DMS/總DMSP含量與細(xì)胞密度均呈正相關(guān)，其中，pH=7.9時(shí)，總DMS含量與細(xì)胞密度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(見(jiàn)表1、2、3)。

圖3 3種pH條件培養(yǎng)的顆石藻總DMS含量

圖4 3種pH條件下顆石藻總DMSP

細(xì)胞密度Celldensity比生長(zhǎng)率Specificgrowthrate總DMSTotalDMS總DMSPTotalDMSP單細(xì)胞DMSCellularDMS單細(xì)胞DMSPCellularDMSP細(xì)胞密度Celldensity1比生長(zhǎng)率Specificgrowthrate0.1971總DMStotalDMS0.381-0.0381總DMSPtotalDMSP0.3260.4490.2961單細(xì)胞DMSCellularDMS-0.3320.0940.560-0.2001單細(xì)胞DMSPCellularDMSP-0.769*-0.397-0.198-0.7030.5731

Note：*代表在0.05顯著性水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn))。*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

表2 pH=7.9條件下的各參數(shù)相關(guān)性分析

Note：**代表在0.01顯著性水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn))。**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).*代表在0.05顯著性水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn))。*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

表3 pH=8.1條件下的各參數(shù)相關(guān)性分析

Note：*代表在0.05顯著性水平下顯著相關(guān)(雙尾檢驗(yàn))。*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

3 討論

3.1 生長(zhǎng)周期內(nèi)DMS/DMSP的變化規(guī)律

結(jié)果顯示顆石藻總DMS/總DMSP產(chǎn)量與細(xì)胞密度均呈正相關(guān)，這與以往的研究報(bào)道相吻合[7,27]，后者通過(guò)連續(xù)培養(yǎng)和圍隔實(shí)驗(yàn)研究表明顆石藻DMS總量與葉綠素a含量、DMSP總量與細(xì)胞密度密切相關(guān)。本文所測(cè)的3種pH(7.7、7.9、8.1)的顆石藻單細(xì)胞DMSP含量的變化范圍依次為(0.009 6～1.45)、(0.053～2.83)、(0.019～1.89)×10-15mol/cell；而Steinke等[28]研究結(jié)果表明6株顆石藻的單細(xì)胞DMSP含量范圍為(3.6～18.9)×10-15mol·cell-1，本文單細(xì)胞DMSP含量比Steinke等[28]報(bào)道的單細(xì)胞DMSP含量偏小的原因是不同藻種、環(huán)境條件都會(huì)對(duì)單細(xì)胞DMSP含量產(chǎn)生明顯影響[7,29-30]。藻細(xì)胞生長(zhǎng)階段對(duì)DMS(P)的產(chǎn)量也有影響。Stefels和van Boekel[31]研究發(fā)現(xiàn)棕囊藻Phaeocystissp.在靜止期的單細(xì)胞DMSP含量高于指數(shù)生長(zhǎng)期。本文結(jié)果顯示不同生長(zhǎng)時(shí)期單細(xì)胞DMS產(chǎn)量不同，指數(shù)生長(zhǎng)期的單細(xì)胞DMS產(chǎn)量少，而生長(zhǎng)衰亡期的單細(xì)胞DMS產(chǎn)量多，這主要是因?yàn)榧?xì)胞衰亡時(shí)，細(xì)胞壁破裂，DMSP裂解酶釋放出來(lái)并間接導(dǎo)致DMS的產(chǎn)量增加。3種pH的單細(xì)胞DMSP含量與細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)率均呈負(fù)相關(guān)的原因可能是由于隨著細(xì)胞分裂的加快，細(xì)胞密度和比生長(zhǎng)率的增加導(dǎo)致單細(xì)胞DMSP含量下降。

3.2 海水pH對(duì)顆石藻生長(zhǎng)、DMS的影響

對(duì)照組(pH未用酸堿進(jìn)行調(diào)節(jié))顆石藻藻液中的pH隨時(shí)間延長(zhǎng)，由初始值8.124逐漸升高，在第8天達(dá)到最大值(9.490)，在第8～14天pH在9.490～9.429之間變化，隨后降低，pH在第20天降為8.918，但仍顯著高于初始值(P<0.05)(見(jiàn)圖5)。因此，顆石藻的生長(zhǎng)使海水中H+濃度降低、pH升高，使海水“堿化”。處理組在實(shí)驗(yàn)期間必須添加H+以維持恒定的pH值。這與部分顆石藻細(xì)胞表面膠質(zhì)層脫落、露出鈣化結(jié)構(gòu)的掃描電鏡結(jié)果是吻合的。

圖5 對(duì)照組顆石藻藻液的pH變化

顆石藻的細(xì)胞密度和比生長(zhǎng)率在3種pH條件下兩兩之間沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明pH變化對(duì)顆石藻的生長(zhǎng)影響不明顯。Tortell等[32]研究指出3種CO2濃度(100、350和800×10-6)對(duì)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中浮游植物的生長(zhǎng)速率沒(méi)有顯著差異，與本文結(jié)果相近。研究表明，CO2濃度升高對(duì)顆石藻光合作用的影響具有種間差異性，CO2濃度升高會(huì)促進(jìn)顆石藻E.huxleyi的光合作用[20]，而對(duì)顆石藻Calcidiscusleptoporus和Coccolithuspelagicus的光合作用沒(méi)有明顯影響[33]。因此，導(dǎo)致本實(shí)驗(yàn)3種pH對(duì)顆石藻的生長(zhǎng)影響差異不顯著的原因也可能與藻種不同或者僅僅是pH變化有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中的顆石藻直徑與Gao等[21]測(cè)定的顆石藻直徑存在差異，可能是顆石藻不同株系導(dǎo)致的。在本文實(shí)驗(yàn)中，海水酸化使顆石藻直徑降低，這與Gao等[21]的結(jié)果類似，他們的研究結(jié)果表明pH=7.9和7.6時(shí)顆石藻的鈣化率降低，pH=7.9和7.6的顆石層厚度比pH=8.2的顆石層厚度顯著降低。

除了pH=7.7時(shí)顆石藻的總DMSP濃度顯著低于pH=8.1時(shí)的總DMSP濃度(P<0.05)以外，本實(shí)驗(yàn)中顆石藻總DMS/單細(xì)胞DMS(P)產(chǎn)量在3種pH兩兩之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。目前國(guó)外科學(xué)工作者對(duì)海洋酸化是否會(huì)影響DMS釋放的問(wèn)題一直以來(lái)存在爭(zhēng)議，如Hopkins等[22]通過(guò)圍隔實(shí)驗(yàn)研究表明，與低濃度CO2(380×10-6)相比，高濃度CO2(750×10-6)顯著降低DMS和DMSP濃度；而Vogt等[24]發(fā)現(xiàn)高濃度CO2(700/1050×10-6)條件下的溶解態(tài)DMSP或DMS與濃度為350×10-6的CO2相比沒(méi)有顯著變化。本文研究結(jié)果與Vogt等[24]的結(jié)果基本吻合。Archer等[23]在北極水域的30 d實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海洋酸化導(dǎo)致DMS濃度降低、DMSP濃度升高，從而導(dǎo)致DMS/DMSP比值降低。與Archer等[23]的結(jié)果不同，本文結(jié)果顯示3種pH兩兩之間的DMS/DMSP比值沒(méi)有顯著變化(P>0.05)，可能與實(shí)驗(yàn)方法不同有關(guān)。每一種酶僅在特定的、比較窄的pH范圍內(nèi)有活性，并且在最適pH顯示最大的活性。Steinke等[28]研究表明，pH對(duì)不同株系顆石藻DMSP裂解酶活性的影響不同，E.huxleyi373/379、E.huxleyi374/1516分別在pH=6、pH=5時(shí)DMSP裂解酶活性最大，而E.huxleyi370的DMSP裂解酶活性在pH=2～8的范圍內(nèi)隨pH升高而升高。海洋環(huán)境中的DMSP裂解酶來(lái)源于浮游植物、海洋細(xì)菌等[28,34]，而海洋酸化會(huì)對(duì)浮游植物組成、細(xì)菌生物量以及生物多樣性產(chǎn)生影響。Tortell和Morel[35]研究了CO2濃度對(duì)赤道太平洋浮游植物群落的影響，結(jié)果表明CO2濃度為150×10-6和750×10-6時(shí)浮游植物群落在培養(yǎng)初期多樣性豐富(含有大約等生物量的硅藻、定鞭金藻、隱藻、青綠藻、甲藻)，而培養(yǎng)3 d后浮游植物均以硅藻為優(yōu)勢(shì)種(生物量大約占90%)，但2種CO2濃度之間的浮游植物種類組成沒(méi)有顯著差異。因此，不同浮游植物對(duì)海洋酸化的敏感性是不同的，海洋酸化對(duì)海洋生物的影響必然會(huì)對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中DMS(P)的產(chǎn)量產(chǎn)生影響。但海洋酸化對(duì)DMS釋放的影響到底是積極的還是消極的？其作用機(jī)制到底是什么？這些問(wèn)題仍需在圍隔實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)方面進(jìn)行深入研究并綜合考慮多種因素。

4 結(jié)論

(1)3種不同pH(7.7、7.9、8.1)對(duì)顆石藻的細(xì)胞密度、比生長(zhǎng)率的影響沒(méi)有顯著差異；掃描電鏡結(jié)果顯示部分顆石藻細(xì)胞表面膠質(zhì)層脫落、露出鈣化結(jié)構(gòu)，pH=7.7和pH=7.9條件下顆石藻直徑顯著低于pH=8.1下的顆石藻直徑(P<0.05)。

(2)pH=7.7條件下顆石藻的總DMSP濃度顯著低于pH=8.1下的總DMSP濃度(P<0.05)；顆石藻DMS總量、單細(xì)胞DMS產(chǎn)量以及單細(xì)胞DMSP產(chǎn)量在3種pH(7.7、7.9、8.1)條件下兩兩之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推到現(xiàn)實(shí)環(huán)境時(shí)還要考慮碳酸鹽體系以及食物鏈關(guān)系變化對(duì)DMS產(chǎn)生的影響。

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責(zé)任編輯 徐 環(huán)

The Influence of Seawater pH on the Growth and Dimethylsulfide Production ofEmilianiahuxleyi

YU Juan1, ZHAO Li-Jun1, YANG Gui-Peng1, TIAN Ji-Yuan2, LIU Wei3, XU Chao-Ping1

(1.The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.College of Food Science and Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266009, China; 3.Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Ocean acidification is one of the serious problems currently faced by marine environment, and calcifid alga-Emilianiahuxleyiis the primary alga to produce dimethylsulfide (DMS) in the ocean. This paper preliminary investigated the changes of the growth, cell diameter and the production of DMS and dimethylsulfoniopropionate (DMSP) forE.huxleyiat three levels of pH (8.1, 7.9 and 7.7). The results showed that the cell densities and specific growth rates among three pH levels had no significant effects, respectively. Cell morphology observation results in scanning electron microscopy (SEM) at day 10 and the diameter results ofE.huxleyiindicated that the diameters of pH=7.7 and pH=7.9 were obviously lower than those of pH=8.1. Total DMS, cellular DMS/cellular DMSP production ofE.huxleyiamong three pH levels (8.1, 7.9, 7.7) had no significant effects; while total DMSP concentrations of pH=7.7 were significantly lower than those of pH=8.1. Pearson correlation between cellular DMSP contents and specific growth rates/cell densities was negative, which might be due to cell lysis. There were positive correlations between total DMS/total DMSP contents and cell densities for three levels of pH. Increasing CO2not only caused the decrease of pH, but also changed the carbonate system in the seawater. Therefore, when we put these results to the natural environment, the effects of carbonate system and food chain changes on the DMS production should be considered.

Emilianiahuxleyi; pH; DMS; DMSP

國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(41221004)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作研究項(xiàng)目(41320104008)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41030858；41106122)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2011DQ005)；國(guó)家海洋局近岸海域生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(201306)資助

2014-01-10；

2014-03-18

于 娟(1973-)，女，副教授。E-mail:yuetian@ouc.edu.cn。

?? 通訊作者： E-mail: jytian_75@@qau.edu.cn

P734.5

A

1672-5174(2015)02-072-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20140007