Radiative energy budgets of migrational microphytobenthic biofilms

迁徙性微藻底栖生物膜的辐射能收支情况 来源：Marine Biology (2024) 171:204


摘要核心内容

论文通过微传感器（温度、O₂）、反射光谱和叶绿素荧光测量，研究了潮间带底栖硅藻生物膜的辐射能量收支（REB）。实验对比了自然迁移组（Control）与运动抑制组（Latrunculin A处理）在不同暴露时间（1 h、3 h、5 h）和光照强度（400/800 μmol photons m⁻² s⁻¹）下的能量分配。结果表明：

反射光能恒定（~23%入射光），大部分光能（76–78%）以热能耗散，光合转化效率仅占0.5–1.2%。

垂直迁移对光合作用和光能利用效率无显著影响，也未观察到非光化学淬灭（NPQ）对热能通量的明显调控。



研究目的

探究硅藻垂直迁移行为对微藻生物膜辐射能量收支（REB）的影响，明确其在光适应和能量分配中的作用。



研究思路

1. 样本与处理：

采集法国Bourgneuf Bay潮间带硅藻生物膜沉积物核心。

设置对照组（Control）和运动抑制组（Lat-A处理），在模拟潮汐暴露期（6 h）施加两种光照（400/800 μmol photons m⁻² s⁻¹）。

在暴露期1 h（BLT）、3 h（LT）、5 h（ALT）测量数据。

2. 多技术联用：

微传感器：测量O₂剖面（光合活性）和温度剖面（热通量）。

反射光谱：监测表面生物量变化（R570/R635指数）。

叶绿素荧光：分析光系统II效率（Fq/Fm'）和NPQ（△α）。

3. 能量预算计算：

量化入射光能（JIN）、反射光能（R）、吸收光能（JABS）、光合固能（JPS）和热耗散通量（JH-up/JH-down）。

图2：光谱数据

测量数据及其研究意义

1. 氧气剖面（图S2, S3, S4）

数据：O₂浓度与渗透深度，反映光合活性时空变化。

意义：揭示硅藻迁移对光合层的影响（LT时O₂峰值最高），Lat-A抑制迁移后光合层加深（图4）。

图3：硅藻垂直迁移动态（R570/R635指数）


图4：光合作用速率剖面


1.温度剖面（图6, 表1）

数据：沉积物温度梯度（dT/dz），计算向上（JH-up）和向下（JH-down）热通量。

意义：表明热能主要向下耗散（>59%），且与沉积物导热性相关（非NPQ主导）。

1. 反射光谱（图2, 3）

数据：R570/R635指数变化，表征表面生物量动态。

意义：证实硅藻在LT时上迁（指数↑20–30%），Lat-A抑制下迁运动（图3）。

1. 叶绿素荧光（图8）

数据：Fq/Fm'（光系统II效率）和△α（NPQ代理参数）。

意义：高光下Lat-A组光抑制更显著（Fq/Fm'↓18.4%），但NPQ与热能通量无强关联。

结论

1. 迁移行为的影响：

垂直迁移未显著改变REB分配（p>0.05），但Lat-A处理降低光能利用效率（16–39%），表明运动有光保护作用。

2. 能量分配模式：

反射光能恒定（~23%），光合转化效率低（0.5–1.2%），热能主导（76–78%），且主要向下耗散（JH-down >59%）。

3. NPQ的作用：

△α与向下热通量弱相关（r=0.55, E400），但迁移和NPQ对REB的调控不显著。

图5：辐射能量预算（REB）分配

丹麦Unisense电极数据的科研意义

论文使用Unisense微电极（OXR50-OI氧传感器 + TPR430-SUB温度传感器）测量：

1. 高分辨率O₂剖面（100 μm步长，图S2–S4）：

意义：直接量化光合活性层动态，揭示硅藻迁移如何优化光捕获（LT时O₂峰值升至600 μmol L⁻¹）。Lat-A抑制迁移后，光合层加深（图4），证明运动影响光合位点选择。

图6：温度剖面与热通量


2. 温度梯度结合光能计算（图6）：

意义：通过傅里叶定律（JH-up = k·dT/dz）精确计算热通量，明确沉积物导热性主导热能向下传递（>59%），而非生物性NPQ机制。

3. 技术优势：

微尺度解析（<1 mm）生物膜物理-生理耦合过程，为REB模型提供实证基础，弥补传统方法无法捕捉迁移微动态的缺陷。