应用案例

Picarro G2308 在研究赫氏圆石藻通过光合作用对全球变暖产生影响中的应用

发表时间：2024-08-09

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研究背景

甲烷（CH₄）是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大人类排放的温室气体。自工业时代以来，大气中的甲烷浓度从工业化前的715ppbv增加到目前的约2000ppbv。虽然甲烷的浓度远低于二氧化碳，但其全球变暖潜力（GWP）约为二氧化碳的30倍到80倍（视时间尺度而定）。因此，了解甲烷的来源对于预测未来的全球变暖趋势和寻找减少温室气体排放的解决方案至关重要。

海洋是一个重要的甲烷源，但传统上认为海洋表面排放的甲烷数量很少，这主要是因为大部分甲烷在水柱上升过程中被微生物氧化掉了。然而，最近的研究表明，即使在氧化的上层混合层中，海水中也经常出现甲烷过饱和的现象，这暗示海洋甲烷的释放量可能被低估了。

赫氏圆石藻（Emiliania huxleyi）是一种重要的海洋微藻，对海洋的初级生产有显著贡献，并且已知赫氏圆石藻能够通过光合作用固定二氧化碳产生甲烷。然而，它与光合作用活动相关的甲烷产生量尚不明确。

研究目的

1. 量化赫氏圆石藻在不同光照条件下的甲烷释放速率。

2. 确定甲烷释放与光合作用和碳固定之间的关系。

3. 评估赫氏圆石藻的甲烷释放对其海洋生物碳泵（BCP）贡献的影响。

研究方法

研究者在人工海水中以批式或半连续培养模式培养微藻赫氏圆石藻，严格控制初始细胞密度，并使细胞适应12小时光照和12小时黑暗的周期，以模拟自然环境中的昼夜变化。通过调整光照强度，观察不同光照水平对微藻生长和甲烷产生的影响。

仪器应用

研究者使用了Picarro G2308高精度气体分析仪来测定培养体系中甲烷的浓度，该仪器能够检测低至1ppb的浓度变化，确保了痕量气体测量结果的准确性。

同时，使用Multi-color PAM荧光仪测量了叶绿素a的荧光参数，包括最大量子产率(Fv/Fm)、有效量子产率(Yield)和快速光曲线(RLCs)，以评估微藻的光合作用效率和电子传递速率。使用粒子计数器和大小分析仪监测了细胞密度和直径的变化，以得到微藻的特定生长率。此外，通过添加光合作用抑制剂DCMU，探究光合作用过程中电子传递对甲烷产生的影响。为了排除其他微生物可能对实验结果的干扰，研究者采用了1.2 µm的PC膜过滤培养后的微藻细胞，然后在相同的光照和温度条件下培养含有细菌的滤液，以测定异养产生的甲烷。同时，通过添加甲烷古菌抑制剂2-溴乙磺酸(2-BES)，进一步验证了微藻自身产生的甲烷。

最后，研究者通过一系列生化分析，包括使用CHNS元素分析仪测定细胞的碳和氮含量，以及通过放射性同位素标记技术测量光合作用碳固定率，全面评估了微藻的生理状态和代谢活动。

通过这些综合性的实验设计和精确的测量技术，能够详细地分析赫氏圆石藻在不同光照条件下的甲烷产生机制，以及这一过程对海洋生物碳泵的潜在影响，为理解海洋生态系统在全球碳循环中的作用提供了重要的科学依据。

图 1：赫氏圆石藻通过光合作用固定二氧化碳（CO₂）和释放甲烷（CH₄）对全球变暖产生的拮抗反馈效应，光合作用驱动的甲烷产量抵消了海洋生物炭泵固碳能力约13%

研究结论

实验结果表明海洋微藻赫氏圆石藻的甲烷产生速率与光合作用相关，甲烷的产生速率随着光照强度的增加而显著上升。在实验中，量化了赫氏圆石藻二氧化碳固定与甲烷释放的反作用影响，甲烷的释放量相对于二氧化碳固定的摩尔比在1.5×10^^-5到6.6×10^^-5之间，表明甲烷的排放对通过二氧化碳固定实现的海洋生物碳泵效应有显著抵消作用，最高可达13%。研究还发现，甲烷的生成可能由光合作用过程中产生的活性氧（ROS）驱动芬顿（Fention）反应发生，甲基化的细胞内代谢产物作为底物。不同的菌株对光照的适应性不同，这导致了甲烷产生与光照强度之间关系的差异。这些发现表明，赫氏圆石藻在全球碳循环和气候变化中的作用比此前认为的更加复杂和重要。

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原文链接

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