绿藻CO2浓缩机制的研究进展

单细胞绿藻是淡水水体中浮游植物的重要组成部分,也是淡水生态系统中主要的初级生产者,其在适应外界环境CO₂浓度变化的过程中,细胞内形成了一种主动转移无机碳的机制———CO₂浓缩机制(CO₂concentrating mechanism,CCM).该机制能使细胞在核酮糖2磷酸羧化氧化酶(rubisco)固碳位点提高CO₂浓度,以增加光合作用和减少光呼吸.本文综述了这种机制中的无机碳转移模型和不同环境因子(光、温度、CO₂浓度和营养水平)对它的调控作用,以期促进深入开展浮游植物对大气CO₂浓度升高响应的研究.     

鄱阳湖流域多尺度碳、硅输送特征及其对浮游植物分布的影响

选取鄱阳湖流域内从初级支流到最大干流再到湖区（香溪→架竹河→赣江→鄱阳湖）这一联通水系线路为研究对象,通过对该流域多尺度碳、硅输送进行监测,并对其浮游植物群落分布进行研究,揭示鄱阳湖流域多尺度碳、硅输送对浮游植物分布的影响。结果表明：（1）鄱阳湖通江流域的碳、硅浓度与碳硅比呈明显空间变化。香溪流域和鄱阳湖湖区溶解态硅（DSi）浓度显著低于架竹河流域和赣江流域,而溶解性总碳（DTC）和溶解性有机碳（DOC）浓度变化则与之相反;碳硅比随流域尺度的扩大呈现先下降后上升的趋势,西鄱湖高于东鄱湖,冬季高于其他季节。（2）碳、硅对浮游植物分布特征的影响随着流域尺度的变化而变化。架竹河流域浮游植物主要受碳影响,且硅藻对溶解性无机碳（DIC）浓度变化最敏感,赣江流域,硅成为影响浮游植物分布的主要因子,进入鄱阳湖湖区后,硅对浮游植物分布的影响减弱;DIC虽然不是鄱阳湖流域浮游植物生长的限制性因子,但可通过影响水体pH值间接影响浮游植物群落结构。（3）浮游植物密度随着流域面积的扩大而成倍增加,鄱阳湖湖区浮游植物密度约为架竹河流域的11倍,湖区生态环境及水体污染问题不容忽视。     

无机碳源对小球藻自养产油脂的影响

旨在研究小球藻利用无机碳自养产油脂,考察了3种无机碳源 (Na2CO3、NaHCO3和CO2) 及其初始浓度对小球藻产油特性的影响。结果表明,小球藻能利用Na2CO3、NaHCO3和CO2产油;经Na2CO3、NaHCO3和CO2培养10 d后,随着每种无机碳源浓度的增加,小球藻产量均先增加后减少。小球藻经3种无机碳源培养后,其培养液pH值上升。最适宜的Na2CO3和NaHCO3添加量均为40 mmol/L,其生物量分别达到0.52 g/L和0.67 g/L,产油量分别达到0.19 g/L和0.22 g/L。在3种无机碳源中,CO2是最佳无机碳源,当CO2浓度为6％时,小球藻生长最快,生物量达2.42 g/L,产油量最高达0.72 g/L;当CO2浓度过低时,无机碳供应不足,油脂产量低;当CO2浓度过高时,培养液pH偏低,小球藻油脂积累受到抑制。Na2CO3和NaHCO3较CO2更有利于小球藻积累不饱和脂肪酸。     

水华鱼腥藻生长与光合作用对大气CO2浓度升高的响应

 为了探讨大气CO2浓度升高对水华藻类的影响,利用水华鱼腥藻(Anabena flos_aquae)作为实验材料,研究了大气CO2浓度加倍对其生长和光合作用的影响,结果显示大气CO2浓度升高导致水华鱼腥藻的生物量、光饱和光合速率、光合效率和光系统II的光化学效率（Fv/Fm）明显提高,但对暗呼吸速率和光饱和点没有明显影响。CO2加倍条件下藻细胞光合作用对无机碳的亲和力降低,表明其利用HCO-3的能力受到抑制。     

不同理化因子对雨生红球藻CG-11碳酸酐酶活性的影响

以雨生红球藻CG-11为实验藻株,探讨在不同CO2、HCO3-、Zn2＋浓度以及pH和氮磷比例条件下,藻细胞的碳酸酐酶活性对这些理化因子的响应。结果表明,通入空气实验组的碳酸酐酶活性最高,为（75.20±1.53）U·mg-1（Chla）,通入5%CO2条件下的碳酸酐酶活性为（9.96±1.43）U·mg-1（Chla）;高浓度HCO3-对碳酸酐酶活性亦具有明显抑制作用,培养液中可溶性无机碳的浓度与碳酸酐酶活性呈负相关;在实验设置的pH范围内,pH9.0时碳酸酐酶活性最高,为（62.32±3.25）U·mg-1（Chla）;适当的氮磷比与Zn2＋浓度显著提高了雨生红球藻CG-11的生长速率,碳酸酐酶的活性亦有明显提高。     

FACE系统处理三年后淹水条件下土壤CH4和CO2排放变化

采用淹水培养实验（25（C），在实验室CO2浓度和高CO2浓度（1000μlL^-1）条件下，研究了稻麦轮作FACE系统运行3a后FACE处理和大气CO2浓度（Ambient）处理土壤CO2和CH4排放的差异。实验结果表明：经过FACE处理后，土壤有机碳含量较Ambient处理提高11%。在实验室和高CO2浓度下淹水培育60d，FACE处理土壤CO2累积排放量较Ambient处理土壤分别增加35%和22%，CH4累积排放量分别是Ambient处理土壤的2.6倍和2.3倍。高CO2浓度下培养，显著促进FACE和Ambient处理土壤的CO2排放量（p〈0.01），促进CH4排放量，但未达到统计显著水平（p〉0.05）。由此说明，大气CO2浓度升高可能直接影响土壤有机碳的转化速率和CO2及CH4的排放。     

水生生态系统的碳循环及对大气CO2的汇

水生生态系统,特别是海洋无疑是大气CO2的一个巨大的汇。海洋对大气CO2的汇以及大气圈和海洋之间碳的变换量在很大程度上取于混合层碳酸盐化学、水中溶解碳的平流传输、CO2通过空气－－海水界面的扩散、海洋生物生产和所产生的有面碳化合物的沉隆等,现在已建立和发展了多种海洋碳子模型以对CO2的汇进行估测。根据国内外研究资料,综述了水生生态系统碳循环过程及“生物泵”作用机制等方面的研究进展;介绍了两大类主要的海洋碳子模型：厢式模型和普通环流模型,采用这些模型对海洋碳汇的估算约为1.2-2.4GtC/a;分析了湖泊、河流等对大气CO2汇的特点及向海洋的转移,并对影响水体生态系统碳循环和大气CO2汇的因素进行了讨论。     

羧酶体结构及其CO_2浓缩机制研究进展

羧酶体(Carboxysome)是高效的固碳微体,在CO2浓缩机制(CO2-concentrating mechanism,CCM)中发挥重要作用。在蓝藻及某些化能自养菌中,羧酶体作为类细胞器包裹1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(RubisCO)和碳酸酐酶(Carbonic anhydrase,CA),它与无机碳转运蛋白共同在胞质中积累HCO3–,通过增加RubisCO周围的CO2浓度来提高固碳效率。随着羧酶体结构和功能的阐明,异源表达羧酶体已成功实现,并且已鉴定出编码羧酶体壳蛋白及内部组分的基因。首先简要介绍羧酶体的发现和种类,然后系统分析其结构及在CCM机制中的作用,并对其在代谢工程上的广阔应用前景进行了展望。     

有机络合态Cr在土壤－植物系统中的污染行为

研究了不同有机络合态Ｃｒ对水稻生长发育、吸收积累的影响,结果表明,ＥＤ－ＴＡ－Ｃｒ、柠檬酸铬和富啡酸铬处理的土壤有效态Ｃｒ浓度明显高于无机Ｃｒ（Ⅲ）处理的,对水稻的毒性要比无机Ｃｒ（Ⅲ）大．水稻吸收的Ｃｒ大部分积累在根系中,成熟期根系中Ｃｒ浓度最高,其次是抽穗期,分蘖期最低,根内Ｃｒ含量比茎叶、糙米要高１—２个数量级．水稻对有机络合态Ｃｒ吸收能力比无机Ｃｒ（Ⅲ）大,并且容易转移到茎叶中．     

氮、磷对小新月菱形藻无机碳利用与碳酸酐酶活性的影响

在实验室条件下研究了氮磷浓度变化对小新月菱形藻无机碳利用与碳酸酐酶活性的影响,结果显示小新月菱形藻随培养液中氮、磷浓度的升高比生长速率明显提高。低氮浓度导致胞外碳酸酐酶活性丧失,但胞内碳酸酐酶活性依然存在。高氮浓度下胞内、外碳酸酐酶活性均明显升高。胞内碳酸酐酶活性在高磷浓度下明显升高,但胞外碳酸酐酶活性并没有受到磷浓度变化的影响。高氮、磷浓度培养下的小新月菱形藻的最大光合作用速率(Vmax)、对CO2亲和力(K0.5(CO2))和光系统II最大光化学效率(Fv/Fm)均明显提高。以上结果表明小新月菱形藻可以通过改变胞内、外碳酸酐酶活性调节无机碳利用以适应不同氮磷浓度的环境。     

气孔导度对CO_2浓度变化的模拟及其生理机制

基于气孔运动的生理生化机制重点进行了气孔导度(gs)对CO2浓度变化的响应机制分析,并推导得到气孔导度(gs)对CO2浓度变化响应模型,并以9种植物进行了模型验证。结果表明:随着CO2浓度的升高,气孔导度会逐渐降低,且下降的幅度会随着CO2浓度的升高而逐渐减弱。气孔导度对CO2浓度(Cs)变化的响应模型可以表达为gs=gmax/(1+Cs/Cs0),其中式中gmax是最大气孔导度和Cs0是实验常数。该模型较好地模拟了气孔导度随CO2浓度变化的规律,模型参数具有明确的生理意义,与Jarvis模型和Ball-Berry模型相比,该模型如何实现多种环境因子的耦合有待进一步突破。另外,模型是在短期改变叶片CO2浓度的条件下得出的,在CO2浓度长期胁迫下的适用性也有待进一步确认。     

Inhibitory effect of carbon dioxide on the fed-batch culture of Ralstonia eutropha: evaluation by CO2 pulse injection and autogenous CO2 methods

In order to see the effect of CO(2) inhibition resulting from the use of pure oxygen, we carried out a comparative fed-batch culture study of polyhydroxybutyric acid (PHB) production by Ralstonia eutropha using air and pure oxygen in 5-L, 30-L, and 300-L fermentors. The final PHB concentrations obtained with pure O(2) were 138.7 g/L in the 5-L fermentor and 131.3 g/L in the 30-L fermentor, which increased 2.9 and 6.2 times, respectively, as compared to those obtained with air. In the 300-L fermentor, the fed-batch culture with air yielded only 8.4 g/L PHB. However, the maximal CO(2) concentrations in the 5-L fermentor increased significantly from 4.1% (air) to 15.0% (pure O(2)), while it was only 1.6% in the 30-L fermentor with air, but reached 14.2% in the case of pure O(2). We used two different experimental methods for evaluating CO(2) inhibition: CO(2) pulse injection and autogenous CO(2) methods. A 10 or 22% (v/v) CO(2) pulse with a duration of 3 or 6 h was introduced in a pure-oxygen culture of R. eutropha to investigate how CO(2) affects the synthesis of biomass and PHB. CO(2) inhibited the cell growth and PHB synthesis significantly. The inhibitory effect became stronger with the increase of the CO(2) concentration and pulse duration. The new proposed autogenous CO(2) method makes it possible to place microbial cells under different CO(2) level environments by varying the gas flow rate. Introduction of O(2) gas at a low flow rate of 0.42 vvm resulted in an increase of CO(2) concentration to 30.2% in the exit gas. The final PHB of 97.2 g/L was obtained, which corresponded to 70% of the PHB production at 1.0 vvm O(2) flow rate. This new method measures the inhibitory effect of CO(2) produced autogenously by cells through the entire fermentation process and can avoid the overestimation of CO(2) inhibition without introducing artificial CO(2) into the fermentor.     

高浓度CO2培养条件下极大螺旋藻光抑制研究

以极大螺旋藻作为实验材料,研究了不同CO2浓度培养对螺旋藻光抑制和恢复的影响,结果表明由光抑制导致的光合速率下降,高浓度CO2比低浓度CO2培养程度小,在高浓度CO2条件下培养的极大螺旋藻,虽然在强光下也表现出光抑制,但与低浓度CO2相比,光合速率下降得较慢。这种现象在强光与弱光培养均存在,但强光培养时更明显。光抑制后的恢复实验表明,不同CO2浓度培养的极大螺旋藻,光系统光化学活性(Fv/Fm)在弱光下恢复较好,高光强、高浓度CO2培养的藻,恢复速度稍快;而在黑暗中,几乎没有恢复;在弱光和含氯霉素的条件下Fv/Fm均下降。由此可见,高CO2浓度可减轻极大螺旋藻的光抑制,但对其光抑制后的恢复影响不大。       

海洋酸化生态学研究进展

工业革命以来,人类排放的大量二氧化碳引起温室效应的同时,也被海洋吸收使得全球海洋出现了严重的酸化。海洋酸化及伴随的海水碳酸盐化学体系的变化对海洋生物产生深远的影响。以海洋酸化对钙化作用和光合作用的影响为重点,总结了近年来关于海洋酸化的研究,介绍了海洋中不同生态系统对海洋酸化的响应。一方面,海水中CO23-浓度和碳酸钙饱和度的降低对海洋钙化生物造成严重损害,生活在高纬的冷水珊瑚和翼足目等文石生产者是最早的受害者;贝类和棘皮动物在钙化早期对海洋酸化尤其敏感,其幼体存活率受到海洋酸化的严重制约。另一方面,CO2浓度的增加能促进海洋植物的光合作用和生长,增加初级生产力,改变浮游植物的群落组成。此外,海洋酸化可以促进固氮和脱氮作用同时削弱硝化作用,改变溶氧浓度分布和金属的生物可利用性,从而对海洋生物产生间接影响。海洋酸化对海洋生态系统的影响机制复杂,影响程度深远。为了能准确的评估海洋酸化的生态学效应,需要更全面深入的研究。     

Responses of Plant Dark Respiration to Doubled CO2 Concentration

Ten species of plants were grown at ambient (350μmol CO2·mol-1 air) and doubled (700 μmol CO2·mol-1 air) CO2 concentrations at ambient temperature and illumination in order to examine changes of dark respiration of whole seedlings or detached leaves. Effects of CO2 on dark respiration were determined by brief exposure ( ≤ 5 min) to corresponding CO2 concentration and temperatures ( 15,20,25,30 and 35 ℃ ) with infrared CO2 analyzer. The reductions in dark respiration on a weight base for leaves of East-Liaoning oak (Quercus liaotungensis Koidz. ) at 15,20 and 25 ℃ and of soybean ( Glycine max L. ) at 20,25,30 and 35 ℃ and for whole seedlings of three- tcoloured amaranth (Amaranthus tricolor L. ) at 15 and 20 ℃ and cucumber ( Cucumis sativus L. ) at 15 cE measured at elevated concentration relative to the ambient CO2 concentration were observed. No significant difference in respiration responded was observed to elevated or ambient CO2 concentrations at 15 ℃ in maize (Zea mays L. ) seedlings and alfalfa (Medicago sativa L. ) leaves, at 35 ℃ in East-Liaoning oak leaves and at 20,25 and 30 ℃ in three-coloured amaranth seedlings. However CO2 efflux in leaves of weeping willow (Salix babylonica L. ), simon poplar (Populus simonii Carr. ) and eucommia (Eucommia ulmoides Oliv. ) at 15,20,25,30 and 35 ℃, alfalfa at 20,25,30 and 35 ℃, East-Liaoning oak at 30 ℃, maize at 15 ℃, seedlings of common buckwheat (Fagotrytum esculentum Moench) at 15,20,25,30 and 35 ℃, cucumber and maize at 20,25,30 and 35 ℃ and three-coloured amaranth at 35 ℃ showed an increase at elevated in contrast to ambient CO2 concentration. In general, at lower temperatures (i. e. 15, 20 ℃ ) there was no significant difference between elevated and ambient CO2 concentration for dark respiration, while at higher temperatures (i. e. 30,35 ℃ ) elevated CO2 concentration positively stimulate clark respiretion. It has not yet been described that double CO2 concentration could enhance plant dark respiration at 30 and 35 ℃. Impacts of the characteristics in dark respiration on the future changes of vegetation and its mechanism were discussed.     

CO2浓度变化对拟柱胞藻生长与光合作用的影响

为了探讨大气CO₂浓度升高对水华藻类的影响,利用水华蓝藻-拟柱胞藻作为实验材料,研究了CO₂浓度升高对其生长生理和光合作用的影响,结果表明CO₂浓度升高,导致拟柱胞藻的生物量、最大光合放氧速率、光合效率显著增加。当CO₂浓度为700 mg/L以下,暗呼吸速率和光饱和点无明显影响,而CO₂浓度为1000 mg/L时,暗呼吸速率和光饱和点显著提高。随着CO₂浓度增加,藻细胞光合作用对无机碳的亲和力降低,同时胞外碳酸酐酶活性显著下降。这表明大气CO₂浓度的增加,有利于拟柱胞藻的生长和光合,进而增加了水华发生的风险。     

CO2 浓度升高对水稻根系分泌物的影响——总有机碳、甲酸和乙酸含量变化

在大气ＣＯ２浓度升高条件下采用水培方法对水稻根系生长及根系分泌物进行了初步研究,ＣＯ２浓度倍增对水培水稻的根系生长具有明显的促进作用,约为７０％,但是根冠比却有所降低,水稻根系单位干重总有机碳,乙酸以及甲酸的释放量在ＣＯ２浓度倍增条件下变化不明显,但是单株奶系分泌物总量,乙酸以及甲酸的释放总量在ＣＯ２倍增处理下明显增加,推测水稻根系分泌物的增加是高浓度ＣＯ２下稻田ＣＨ４排放增加的重要原因之一。     

微藻固定CO2研究进展

空气中CO2浓度升高所导致的温室效应已成为重大的环境问题,受到人们普遍关注.概述了高效固定CO2微藻藻种的筛选和培养方法,分析了微藻固定CO2的无机碳利用形式和浓缩机制,讨论了高效光生物反应器设计和运行目标,简要介绍了微藻(酶)-膜生物反应器集成新技术.并认为今后的研究方向主要是在进一步探索微藻固定CO2有关机理的基础上,构建高效固定CO2的转基因微藻,开发高效膜生物反应集成系统.     

Increased C availability at elevated carbon dioxide concentration improves N assimilation in a legume

Plant growth is typically stimulated at elevated carbon dioxide concentration ([CO2]), but a sustained and maximal stimulation of growth requires acquisition of additional N in proportion to the additional C fixed at elevated [CO2]. We hypothesized that legumes would be able to avoid N limitation at elevated [CO2]. Soybean was grown without N fertilizer from germination to final senescence at elevated [CO2] over two growing seasons under fully open-air conditions, providing a model legume system. Measurements of photosynthesis and foliar carbohydrate content showed that plants growing at elevated [CO2] had a c. 25% increase in the daily integral of photosynthesis and c. 58% increase in foliar carbohydrate content, suggesting that plants at elevated [CO2] had a surplus of photosynthate. Soybeans had a low leaf N content at the beginning of the season, which was a further c. 17% lower at elevated [CO2]. In the middle of the season, ureide, total amino acid and N content increased markedly, and the effect of elevated [CO2] on leaf N content disappeared. Analysis of individual amino acid levels supported the conclusion that plants at elevated [CO2] overcame an early-season N limitation. These soybean plants showed a c. 16% increase in dry mass at final harvest and showed no significant effect of elevated [CO2] on leaf N, protein or total amino acid content in the latter part of the season. One possible explanation for these findings is that N fixation had increased, and that these plants had acclimated to the increased N demand at elevated [CO2].     

CO2浓度升高对红松和长白松土壤呼吸作用的影响

以开顶箱法研究了CO₂浓度升高对红松和长白松土壤呼吸作用的影响.结果表明,500 μmol CO₂·mol^-1使红松和长白松土壤呼吸速率明显降低,土壤表面CO₂浓度升高导致CO₂扩散受阻可能是土壤呼吸受到抑制的主要原因.500 μmol CO₂·mol^-1下两树种土壤表面CO₂浓度明显高于对照箱和裸地条件下的CO₂浓度,增加幅度在40～150 μmol·mol^-1之间;对照箱内长白松土壤表面CO₂浓度略高于裸地,差异不显著,红松差异显著500 μmol CO₂·mol^-1下的长白松土壤全氮及总有机碳含量略高于对照组,差异不显著,红松裸地的碳氮含量明显低于500 μmol CO₂·mol^-1 及对照箱内土壤碳氮含量;500 μmol CO₂·mol^-1 及开顶箱的微环境对地下3 cm处土壤温度没有明显影响.