研究简介：全球变暖背景下，温度升高对附生海草叶片生物膜中一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N₂O）和硫化氢（H₂S）的生产及动态的影响。海草床是重要的沿海生态系统，提供多种生态系统服务，如增强海洋生物多样性、改善水质和碳封存。然而，海草叶片的微生物群落（附生生物）在夜间可能会因氧气供应不足而产生温室气体和植物毒素，对海草产生负面影响。本研究旨在探究温度升高如何影响海草叶片微生物群落中的厌氧过程，如反硝化和硫酸盐还原。研究人员使用电化学微传感器（unisense野外微电极研究系统）测量了在黑暗条件下，覆盖有大量附生生物的海草叶片微环境中的氧气、NO、N₂O和H₂S的浓度梯度，并研究了温度（14°C和24°C）对这些过程的影响。

实验结果表明，随着海水温度的升高，海草叶片微环境中的H₂S生产和积累显著增加，这可能会对海草造成伤害，因为H₂S可以轻易地通过海草叶片薄的表皮扩散。此外，海草叶片还显示出NO的生产和N₂O的排放，这两种气体在夜间黑暗条件下产生。温度升高和水柱中氧气供应减少（例如，在富营养化水域中的海洋热浪期间）可能会在海草叶片微环境中引发有害的化学条件，这可能会对海草的性能和生态功能产生负面影响。研究发现与H₂S相比，NO和N₂O的动态对海水温度升高的反应有限，但附生生物覆盖的海草叶片中的N₂O生产和向周围海水的排放可能会对海草床在温室气体平衡中的作用产生影响。本研究的结果强调了沿海富营养化和全球变暖对海草的级联效应，特别是在温度升高时，海草叶片微环境中的H₂S生产和NO的内流可能会对海草的生产力和健康产生潜在的负面影响。此外N₂O排放的增加可能会削弱海草床作为温室气体汇的功能。因此，减少沿海富营养化和应对全球变暖对于保护海草床的生态功能至关重要。

Unisense野外微电极研究系统的应用

Unisense微电极被用于测量海草叶片微环境中的氧气（O₂）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N₂O）和硫化氢（H₂S）的浓度梯度。测量在黑暗条件下进行，以模拟夜间海草叶片微环境的条件。所有的微电极测量均在一个定制的流动室中进行，该流动室能够产生稳定的层流（流速为0.5厘米/秒）。流动室中的过滤海水（0.2微米，盐度为30）是从一个支持水族箱中泵入的。水族箱通过一个金属线圈连接到一个加热/冷却循环系统，以维持实验所需的温度。微电极连接到一个多通道微电极主机（Unisense A/S，丹麦），并安装在一个电机化的微操纵器上。微操纵器和微电极测量仪均通过一台电脑和专用的微剖面软件）进行数据采集和传感器定位控制。

实验结果

温度升高对附生海草叶片生物膜中一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N₂O）和硫化氢（H₂S）的生产及动态的影响。研究结果表明，温度升高显著刺激了海草叶片微环境中的H₂S生产和积累，这可能会对海草造成伤害，因为H₂S可以轻易地通过海草叶片薄的表皮扩散。此外，海草叶片还显示出NO的生产和N₂O的排放，这两种气体在夜间黑暗条件下产生。温度升高和水柱中氧气供应减少可能会在海草叶片微环境中引发有害的化学条件，这可能会对海草的性能和生态功能产生负面影响。本研究强调了沿海富营养化和全球变暖对海草的级联效应，特别是在温度升高时，海草叶片微环境中的H₂S生产和NO的内流可能会对海草的生产力和健康产生潜在的负面影响。此外，N₂O排放的增加可能会削弱海草床作为温室气体汇的功能。因此，减少沿海富营养化和应对全球变暖对于保护海草床的生态功能至关重要。

图1、实验装置示意图。(a)电机化微操纵器、O₂、NO、N₂O&H₂S微电极、流动室、多通道微电极仪、电机控制器、光纤O₂微传感器、电脑、支持水族箱、光纤O₂仪(b)空气&N₂、温度控制。图1a是一个完整的实验装置，包括电机化微操纵器、不同类型的微电极（用于测量O₂、NO、N₂O和H₂S）、流动室、多通道微电极仪等。这些设备连接到电脑上，通过专用软件进行数据采集和传感器定位控制。图1b展示了一个分体式流动室的设计，其中叶片放置在有流动的海水中，而根部则嵌入在人工沉积物中。这种设计允许同时测量叶片和根部的微环境。

图2、O₂、H₂S、NO和N₂O浓度的微剖面。在14°C（黑色）和24°C（红色）下，海草叶表层微环境中的O₂、H₂S、NO和N₂O浓度的微剖面。所有测量均在黑暗中进行，海水处于低氧状态（约40%空气饱和度，模拟现场夜间条件）。上、中、下三行分别代表3个生物学重复，每个重复都显示了从叶片表面向内的浓度变化。虚线表示附生生物膜的近似厚度。图2展示了在两种不同温度（14°C和24°C）下，海草叶片微环境中的氧气（O₂）、硫化氢（H₂S）、一氧化氮（NO）和一氧化二氮（N₂O）的浓度梯度。这些测量在黑暗和低氧条件下进行，以模拟夜间海草叶片微环境的自然条件。

图3、NO、N₂O和H₂S的净生产和排放。在14°C（黑色）和24°C（红色）下，海草叶片-生物膜界面处的NO、N₂O和H₂S的净生产（a）以及从海草叶表层向覆盖水体的排放（b）。展示了在两种温度条件下，海草叶片生物膜界面处NO、N₂O和H₂S的净生产和向覆盖水体的排放。图3a显示了在叶片-生物膜界面处这些气体的净生产量，而图3b则显示了这些气体从海草叶表层向周围水体的排放量。图中数据基于9个重复测量，误差线表示标准误差。

图4、海草基部叶分生组织中O₂和NO浓度的动态变化。在水柱O₂浓度从80%降至40%空气饱和度期间，海草基部叶分生组织中O₂（黑色符号）和NO（红色符号）浓度随时间的变化。背景颜色表示水柱中的O₂浓度（以%空气饱和度表示）。水温保持在24°C。在水柱O₂浓度从80%降至40%空气饱和度的过程中，海草基部叶分生组织中O₂和NO浓度的变化。图中黑色符号表示O₂浓度，红色符号表示NO浓度。背景颜色表示水柱中的O₂浓度。实验过程中，水温保持在24°C。图中显示了随着时间的推移，O₂浓度下降，而NO浓度上升，这表明NO从海草叶片微环境侵入到植物组织中。

结论与展望

海草叶片附生生物有可能减少海草夜间氧气供应，导致微生物产生温室气体和植物毒素，这些物质可能对植物有害。然而目前尚不清楚全球变暖如何影响海草叶表层微环境中的厌氧过程，如反硝化和硫酸盐还原。本论文使用电化学微传感器测量了在黑暗条件下，被大量附生生物覆盖的海草（Zostera marina L.）叶片微环境中的氧气（O₂）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N₂O）和硫化氢（H₂S）的浓度梯度，并研究了温度（14°C和24°C）对这些过程的影响。Unisense微电极被用于测量海草叶片微环境中的氧气（O₂）、一氧化氮（NO）、一氧化二氮（N₂O）和硫化氢（H₂S）的浓度梯度。通过高精度的浓度梯度测量，提供了关于温度变化对海草叶片微环境中厌氧过程影响的详细数据。这些数据对于理解全球变暖对海草生态系统的潜在影响至关重要。研究发现随着海水温度的升高，海草叶表层微环境中的植物毒素H₂S的生产和积累显著增加，这可能会对海草造成伤害，因为H₂S可以轻易地通过海草叶片薄的表皮扩散。此外海草叶表层微环境中还检测到了NO的生产和N₂O的排放，这两种气体在夜间黑暗条件下产生。温度升高和水柱中氧气供应减少（例如，在富营养化水域中的海洋热浪期间）可能会在海草叶表层微环境中引发有害的化学条件，这可能会对海草的性能和生态功能产生负面影响。与H₂S相比，NO和N₂O的动态对海水温度升高的反应有限，但附生生物覆盖的海草叶片中的N₂O生产和向周围海水的排放可能会对海草床在温室气体平衡中的作用产生影响。