研究簡介:海洋浮游生物是海洋生態(tài)系統(tǒng)中的關鍵組成部分，它們通過光合作用和呼吸作用參與碳的循環(huán)。浮游生物的生產（P）和呼吸作用（R）之間的平衡對于理解海洋的碳預算至關重要。然而，對于這種平衡的準確測量存在困難，尤其是在不同尺度上，從微生物到生物地球化學的測量結果存在分歧，導致了對海洋營養(yǎng)狀態(tài)的爭議。早期的海洋生物學研究主要集中在光合作用上，而對呼吸作用的研究相對較少，部分原因是測量方法的局限性和對生產過程的重視。盡管隨著新的水生食物網(wǎng)范式的出現(xiàn)，呼吸作用開始受到更多關注，但其測量方法仍然是一個討論的焦點。最常用的方法是通過Winkler方法測量暗瓶和光瓶孵化后溶解氧的變化，但這種方法可能受到所謂的“瓶子效應”的影響，即樣本與自然環(huán)境隔離可能帶來的偏差。

為了研究孵化時間和瓶子體積對浮游生物凈代謝測量的影響，在西北伊比利亞沿海系統(tǒng)進行了一系列時間序列實驗。實驗包括不同孵化時間（2至48小時）和不同瓶子體積（50、125和570毫升）的測量，以及使用氧氣微電極連續(xù)監(jiān)測氧濃度的變化。研究結果表明，24小時暗瓶孵化法在125毫升體積下并不存在系統(tǒng)性的偏差，并且氧氣微電極是研究自然海洋浮游生物呼吸動態(tài)的有效工具。這項研究反駁了之前關于暗瓶孵化可能存在偏差的觀點，并強調了在動態(tài)海洋生態(tài)系統(tǒng)中測量浮游生物呼吸率時需要考慮的尺度依賴性和方法學問題。強調了對海洋浮游生物呼吸作用更深入理解的重要性，這對于預測氣候變化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響和制定相應的環(huán)境政策具有重要意義。

Unisense微呼吸系統(tǒng)的應用

Unisense微呼吸系統(tǒng)被用來連續(xù)監(jiān)測在實驗過程中溶解氧濃度的變化，以測定海洋浮游生物的暗社區(qū)呼吸率（DCR）。使用80毫升的硼硅酸鹽玻璃呼吸室，這些呼吸室被填充來自50升大瓶的海水。呼吸室的蓋子設計有一個毛細孔，允許氧氣微傳感器進入，同時孔的大小足夠小，以最小化樣品與水浴中的水之間的氧氣交換。在每次測量之前，使用兩點校準法對微電極進行校準。校準使用的是0%飽和溶解氧濃度（抗壞血酸和氫氧化鈉的溶液）和100%飽和溶解氧濃度（過濾并劇烈通氣的海水）作為校準點，校準在原位溫度下進行。將呼吸室放置在溫度控制的水浴中，并確保完全黑暗。由于傳感器對溫度變化非常敏感，水浴設定的溫度比原位溫度高0.2°C，以避免孵化開始時可能的急劇溫度下降。在樣品穩(wěn)定之后（60-90秒），將微電極插入呼吸室蓋子的毛細孔中，開始測量。每20秒記錄一次溶解氧濃度，連續(xù)監(jiān)測48小時。通過計算溶解氧濃度隨時間下降的斜率來確定氧氣消耗率。

實驗結果

研究結果表明24小時的暗瓶孵化實驗在125毫升的樣本量下，并沒有顯示出系統(tǒng)性的偏差，無論是由于樣本大小、所謂的“瓶子效應”還是氧氣消耗率的非線性變化。通過將Unisense微電級系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與Winkler方法得到的離散數(shù)據(jù)進行比較，研究發(fā)現(xiàn)兩種方法在測量海洋浮游生物的暗社區(qū)呼吸率（DCR）方面是一致的，且微電級系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在統(tǒng)計上與Winkler方法的數(shù)據(jù)沒有顯著差異。大多數(shù)情況下，從最小孵化時間到24小時，實驗觀察到的氧氣消耗保持線性，這支持了之前研究中關于較長孵化時間內氧氣消耗率恒定的發(fā)現(xiàn)。強調了浮游生物群落結構和呼吸率變化之間的復雜關系，并表明呼吸率的變化更多地受到生態(tài)因素的影響，而不是群體的遺傳組成。

圖1、里亞德維戈地圖上的采樣點位置。

圖2.不同時間序列實驗中的葉綠素a濃度和細菌豐度。

圖3、不同時間序列實驗中最常見的微型浮游生物群落的貢獻。

圖4、每個瓶子體積內的累積呼吸量以及不同孵化周期。

圖5.使用氧氣微電極測量的暗孵化期間（TS3n-TS5n）的連續(xù)氧減少。

結論與展望

海洋中浮游生物的生產與呼吸平衡的準確測定對于碳預算和全球變化預測非常重要。由于在不同尺度上測量這種平衡存在分歧，導致了對海洋營養(yǎng)狀態(tài)的爭議。尤其是在寡營養(yǎng)的開放海域中，24小時的孵化實驗經常顯示出凈異養(yǎng)平衡，但類似的困難也出現(xiàn)在沿海系統(tǒng)中。這些結果因為可能存在的長期孵化時間和所謂的“瓶子效應”而受到批評。為了研究孵化時間和瓶子體積對浮游生物凈代謝測量的影響，在西北伊比利亞沿海系統(tǒng)進行了一系列時間序列實驗。通過標準體外溶解氧濃度變化和(2)氧氣微傳感器每20秒測量一次的氧濃度下降，同時獲得了浮游生物群落呼吸率的測量結果。本研究結果反駁了24小時暗瓶孵化在125毫升體積下系統(tǒng)性偏見的說法，并強調了氧氣微傳感器在研究自然海洋浮游生物呼吸動態(tài)方面的有效性。本研究結果對支持使用unisense氧氣微呼吸系統(tǒng)作為測量沿海海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物DCR的準確工具，并表明它們是評估呼吸率線性的可行選項。對于改進海洋生態(tài)系統(tǒng)中浮游生物呼吸作用的測量方法和理解其在全球碳循環(huán)中的作用具有重要意義。