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。     

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.     

太湖两种大型沉水植物无机碳利用效率差异及其机理

该文通过pH值漂移实验比较了太湖常见的两种沉水植物菹草(Potamogeton crispus)和马来眼子菜(P. malaianus)对无机碳利用效率的差异,并测定两者无机碳吸收关键酶——碳酸酐酶的活性,探讨了两者无机碳吸收效率差异的原因。根据太湖自然水体的无机碳条件设定了3种不同碱度条件,测定起点pH值和无机碳条件。不同碱度下pH值漂移变化和总无机碳/碱度比值的结果表明,两个种均能利用${HCO_{3}}^{-}$,适应低无机碳条件。两者对${HCO_{3}}^{-}$的吸收速率决定于其浓度大小,该离子浓度越大,光合速率越高。但是对${HCO_{3}}^{-}$的吸收速率存在差异:马来眼子菜在各碱度下终点pH值显著高于菹草,整体光合速率较高。CO₂-光合速率响应曲线表明,在高pH值(CO₂受到限制)时,马来眼子菜对CO₂亲和力较大。尽管菹草在pH值较低(6.5~7.0)时有相对较高的光合速率,但是基于太湖自然水体夏季高pH值(>8.5)条件,马来眼子菜具有更大的生长优势,成为优势种群。两者无机碳吸收速率的差异是造成它们生活史差异和时间生态位的一重要原因。同时,马来眼子菜碳酸酐酶活性明显高于菹草,表明在相同无机碳条件下,前者催化${HCO_{3}}^{-}$与CO₂之间的转化效率更高,这可能是造成两者无机碳吸收速率差异的原因。     

湖泊生态系统碳汇特征及其潜在碳中和价值研究

为了应对气候挑战,达成碳达峰远景目标,需要正确评估自然资源碳中和价值。湖泊作为具有独特生态、人文价值的地理单元,因碳循环强度高、碳排放总量大,是传统意义上的碳源。通过梳理近期相关研究成果,对比不同类型湖泊碳汇/源状况,湖泊生态系统以一系列碳汇特征表现出潜在的碳中和价值。强烈的光合作用可以使水体CO₂欠饱和,但由呼吸-光合作用、碳酸盐岩溶蚀作用带来的水体碱度、CO₂分压pCO₂提高也有利于湖泊碳汇增益。CO₂在水体中大量溶解,积极参与到湖泊碳循环,将pCO₂高于40 Pa作为判断湖泊为碳源的依据可能忽视了水体碱度上升带来的碳汇。在湖泊沉积物中有机碳的累积受到生态系统光合-呼吸作用的影响,当异养微生物群落能及时分解沉入湖底的衰亡组织、有机质时,沉积物中有机碳不会大量累积,当呼吸对光合的相对滞后,有机碳才会大量累积。湖泊生态系统的生产力决定了固碳能力,是湖泊发挥碳汇效益的重要“碳库”。由水生植物固定下的CO₂总量不如浮游植物,但在过程中发挥了“压舱石”般的稳定作...     

蛋白核小球藻生长和无机碳利用对不同光照强度和CO2浓度的响应

为了探讨光照强度和CO₂浓度对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长、无机碳利用的复合效应, 丰富绿藻中无机碳浓缩机制的资料, 该文设置两种光照强度(40和120 µmol photons•m^-2•s^-1)和两种CO₂浓度(0.04%和0.16%)组合成4种条件, 比较了蛋白核小球藻生长、无机碳浓度、pH补偿点、光合放氧速率、碳酸酐酶(CA)活性和α-CA基因转录表达对这4种培养条件的响应。结果发现: 蛋白核小球藻在高光强高CO₂浓度组生长最快; 低光强高CO₂浓度组培养体系中总无机碳浓度为1163.3 µmol•L^-1, 显著高于其他3组; 高光强低CO₂浓度组藻的pH补偿点最高(9.8), 而低光强高CO₂浓度组藻的pH补偿点最低(8.6); 低光强高CO₂浓度组藻的最大光合速率(V_max)和最大光合速率一半时的无机碳浓度(K_0.5)最高, 分别是其他3组的1.28-1.91倍和1.61-2.00倍; 高光强低CO₂浓度组藻的胞外CA活性最高; 而低光强低CO₂浓度组藻的胞外α-CA基因表达量显著高于其他3组。以上结果表明低CO₂浓度可促进蛋白核小球藻的pH补偿点和无机碳亲和力的提高, 诱导胞外CA活性及α-CA基因的表达; 该藻主要以HCO₃^-为无机碳源, 其对无机碳的利用受光照的调节。     

大兴安岭多年冻土区两种水体温室气体浓度动态与冬季储存特征

北方内陆水体是温室气体排放的热点,对量化区域碳收支起重要作用,但其排放的季节变化尚不清楚。观测了大兴安岭多年冻土区府库奇河及其改道形成的牛轭湖(演替晚期)冻结期冰层中储存的二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)浓度,并比较了两种水体中CO₂和CH₄浓度在三个不同时期(冻结期、非冻结期、春季融化)的差异。结果表明：两种水体CO₂和CH₄浓度季节变化存在差异。牛轭湖在冻结期水体中CO₂和CH₄浓度最高,有明显的冰下积累现象,其中CH₄浓度平均值为(2.21±0.54)μmo/L,分别是非冻结期和春季融化期水体CH₄浓度的5倍和14倍。河流水体中CO₂和CH₄浓度最高出现在春季融化期,显著高于非冻结期和冻结期(P<0.05)。水中CO₂和CH₄浓度受多种环境因子的影响,与可溶性有机碳(D...     

蒙古栎叶片及其土壤碳、氮同位素自然丰度对大气CO2浓度升高的响应

大气CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程产生重要影响,研究其变化有助于更好地预测陆地生态系统的固碳潜力.氮同位素自然丰度作为生态系统氮素循环过程的综合指标能够有效地指示CO₂浓度升高对土壤氮素转化过程的影响.本研究采用开顶箱CO₂ 熏蒸法研究连续10年的大气CO₂ 浓度升高对我国东北地区蒙古栎及其土壤和微生物生物量碳、氮同位素自然丰度的影响.结果表明: 大气CO₂浓度升高改变了土壤氮循环过程,增加了土壤微生物和植物叶片δ¹⁵N;促进了富¹³C土壤有机碳分解,中和了贫¹³C植物光合碳输入的效果,导致土壤可溶性有机碳和微生物碳δ¹³C在CO₂升高条件下没有发生显著变化.这些结果表明,CO₂浓度升高很可能促进了土壤有机质矿化过程,并加剧了系统氮限制的状态.     

CO2浓度升高对水体硝化、反硝化作用的影响研究进展

大气CO₂浓度升高潜移默化地影响着水体生态系统的碳循环过程.然而,该过程如何影响与其耦合的氮循环过程仍不明确.水体硝化、反硝化过程作为水体氮循环的重要环节,必然会对大气CO₂浓度升高产生一系列的响应.本文总结了国内外关于大气CO₂浓度升高对水体理化性质、硝化作用、反硝化作用及N形态转化影响方面的研究工作,发现大气CO₂浓度升高会降低水体的pH,增加水中CO₂和HCO₃^-含量,但对富营养化与寡营养化水体中硝化、反硝化作用的影响具有明显差异.大气CO₂浓度升高抑制寡营养化水体的硝化作用和反硝化作用,降低N₂O的释放通量,抑制富营养化水体的硝化作用,但当水体pH在7~9时,可能促进反硝化作用,增加N₂O的释放通量,最终可能导致水体中NH₄⁺的积累及NO₃^-浓度的降低,影响水体中微生物的多样性.在此基础上提出目前相关研究存在的瓶颈问题及值得深入探讨的科学问题,为进一步深入理解温室效应背景下全球CO₂浓度升高对水体生态系统N循环的影响提供参考.     

不同水生植物对景观水体CO2与CH4排放通量的影响

城市景观水体是大气CO₂与CH₄的排放热源,而水生植物作为景观水体的重要组成要素,对水体温室气体排放动态的影响并不清楚。选择重庆市观音塘国家湿地公园为研究区,利用漂浮箱法与顶空平衡法对观音塘水域7种不同水生植物分布区进行水-气界面CO₂与CH₄排放通量及CO₂、CH₄溶存浓度进行季节性监测,估算了植物传输对气体通量的贡献。结果表明：1)观音塘水体CO₂与CH₄浓度范围分别为8.0—341.8μmol/L和0.23—5.26μmol/L,排放通量分别为26.5—869.1 mmol m^-2 d^-1和0.40—11.15 mmol m^-2 d^-1,是大气净CO₂与CH₄排放源;2)观音塘开敞水区CO₂与CH₄排放通量低于大部分城市湖泊或景观水体...     

三江平原土壤动物群落多样性对CO2浓度升高的响应

为研究大气CO₂浓度升高条件下土壤动物的响应, 本文采用开顶式气室(OTC)控制大气CO₂浓度, 设置了3个梯度, 分别为低浓度370 ppm背景CO₂ (AC)、中浓度550 ppm CO₂ (EC1)和高浓度700 ppm CO₂ (EC2)。于2017年秋季取样并用改良Tullgren干漏斗法和Baermann湿漏斗分离土壤动物。结果表明: (1)共捕获土壤动物6,268头, 隶属于7纲15目, 优势类群为甲螨亚目, 占捕获量的88.13%; 常见类群为弹尾目和双翅目幼虫, 合计占捕获量的9%。不同CO₂浓度水平下, 优势类群(甲螨亚目)和常见类群(弹尾目、双翅目幼虫)相同, 但是稀有类群存在一定差异。(2) CO₂浓度升高显著增加了甲螨亚目的类群数和个体密度, 显著降低了弹尾目的类群数和个体密度, 对其他土壤动物无显著影响。(3)三江平原不同浓度条件下土壤动物的Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数均为AC > EC1 > EC2, 而优势度指数为EC2 > EC1 > AC, 丰富度指数为AC > EC2 > EC1。研究表明, 气候变化有可能影响土壤动物的群落结构以及土壤动物的多样性。     

干出和沉水不同条件下羊栖菜光合作用碳源获得机制比较

经济海洋褐藻羊栖菜(Hizikia fusiforme(Harv.)Okamura)低潮时常常周期性地暴露于空气中.为了认识这种海藻在潮汐循环背景下的光合特征,对其在高潮沉水和低潮干出不同条件下的光合作用碳素获得机制进行了比较.沉水时,羊栖菜主要利用海水中HCO3-作为外源无机碳源驱动光合作用;而在干出条件下,其光合作用的主要碳源为空气中的CO2.在这两种不同环境条件下,光合作用与pH值的关系不同:沉水状态时,羊栖菜在高pH值(10.0)下光合活性很弱;而在干出条件下,羊栖菜在高pH值时仍有较高的光合活性.然而,光合作用无论是在沉水还是在干出条件下,对外源碳源的获得都表现出对胞外碳酸酐酶(CA)强烈的依赖性,并且其光合速率都受周围环境中无机碳源水平的限制.此外,在沉水和干出两种环境条件下,羊栖菜光合作用都表现出对氧气的敏感性.这表明,在羊栖菜中,依赖胞外CA的碳源获得机制不能使细胞内CO2浓度提高到阻碍其光呼吸的程度.增加空气中或海水中无机碳的浓度,能促进羊栖菜的光合作用,进而增加这种海藻的水产养殖产量.     

A cyanobacterial AbrB-like protein affects the apparent photosynthetic affinity for CO2 by modulating low-CO2-induced gene expression

In Synechocystis sp. strain PCC 6803, over 450 genes are upregulated following transfer of the cells from a high (1–5% CO₂ in air, HC) to a low level of CO₂ (as in air or lower, LC). This includes sbtA , ndhF3 and cmpA involved in inorganic carbon (Ci) uptake. Earlier studies implicated NdhR in the regulation of LC-induced genes but there are indications that additional components are involved. Following extraction of proteins from cells grown under HC and (NH4)₂SO₄ fractionation, we have identified LexA and two AbrB-like proteins, Sll0359 and Sll0822, which bind to a fragment of the sbtA promoter. Using extracts prepared from LC-grown cells, Sll0822 did not bind to the sbtA promoter despite its presence in the cells, suggesting that it may serve as a repressor of LC-induced genes. This is supported by the fact that sbtA , ndhF3 and cmpA normally expressed only under LC in the wild-type are transcribed under both HC and LC in a Δ sll0822 mutant. When grown under HC this mutant exhibits an elevated apparent photosynthetic affinity to Ci, typically observed in the wild-type only under LC. Clearly, expression of genes essential for Ci uptake was sufficient to raise the apparent photosynthetic affinity for external Ci.     

Rate limiting factors in leaf photosynthesis. II. Electron transport

Increased scattering of a weak 535 nm measuring beam which indicates the light-dependent formation of a transthylakoid proton gradient in leaves was used to examine the role of the electron-transport chain in limiting photosynthetic carbon assimilation. The proton gradient is supported by electron flux and indicates thylakoid energization. In CO₂-free air, half saturation of thylakoid energization was observed at intensities of red light ranging from 2 to 50 W·m⁻² in different plant species. The differences were attributed to different carbohydrate availability for energy-consuming photorespiratory processes when external CO₂ was absent. Thylakoid energization of shade leaves (Asarum, Fagus) was saturated at lower light intensities than that of sun leaves (Phaseolus, Fagus). When photorespiratory carbohydrate oxidation was suppressed by decreasing the O₂ concentration from 21 to 2% in the absence of CO₂, thylakoid energization saturated at lower light intensities than in CO₂-free air. CO₂ decreased thylakoid energization particularly at low light intensities. Under high intensity illumination, however, thylakoid energization was remarkably high even in the presence of saturating CO₂. Apparently, electron transport was capable of maintaining the energy status of the photosynthetic apparatus at a high level even when photosynthetic carbon fluxes were maximal. This suggests that electron transport is less important in limiting photosynthesis than previously thought.     

CO_2浓度升高对水体硝化、反硝化作用的影响研究进展

大气CO_2浓度升高潜移默化地影响着水体生态系统的碳循环过程.然而,该过程如何影响与其耦合的氮循环过程仍不明确.水体硝化、反硝化过程作为水体氮循环的重要环节,必然会对大气CO_2浓度升高产生一系列的响应.本文总结了国内外关于大气CO_2浓度升高对水体理化性质、硝化作用、反硝化作用及N形态转化影响方面的研究工作,发现大气CO_2浓度升高会降低水体的p H,增加水中CO_2和HCO_3^-含量,但对富营养化与寡营养化水体中硝化、反硝化作用的影响具有明显差异.大气CO_2浓度升高抑制寡营养化水体的硝化作用和反硝化作用,降低N2_O的释放通量,抑制富营养化水体的硝化作用,但当水体pH在7～9时,可能促进反硝化作用,增加N2_O的释放通量,最终可能导致水体中NH_4^+的积累及NO_3^-浓度的降低,影响水体中微生物的多样性.在此基础上提出目前相关研究存在的瓶颈问题及值得深入探讨的科学问题,为进一步深入理解温室效应背景下全球CO_2浓度升高对水体生态系统N循环的影响提供参考.     

Physiological changes in marine picocyanobacterial Synechococcus strains exposed to elevated CO2 partial pressure

Unicellular marine cyanobacteria are abundant in both coastal and oligotrophic environments, where they contribute substantially to primary production. The physiological effect of future increases in atmospheric CO₂ concentrations on the marine picocyanobacteria is still poorly known. We studied the physiological changes in marine phycocyanin (PC)-rich and phycoerythrin (PE)-rich Synechococcus strains under different CO₂ partial pressures (350, 600 and 800 ppm). The PE strain showed no significant change in growth rate over the experimental CO₂ range. A significant increase (25.4%) in carbohydrate was observed at 800 ppm CO₂, but no significant change in protein and RNA/DNA ratio was observed in any CO₂ treatment. The PC strain showed a significant increase (36.7%) in growth rate at 800 ppm CO₂, but no significant change in carbohydrate or protein content was observed over the entire CO₂ range. The RNA/DNA ratio increased with increasing CO₂ concentration and was positively correlated with growth rate. Cellular red fluorescence and orange fluorescence of the PE strain tended to decline in all CO₂ treatments. However, no such decline was observed at higher CO₂ treatments in the PC strain. Our results suggest that the PC strain would probably benefit more than the PE strain from future increases in atmospheric CO₂ concentrations.     

不同CO2浓度下大豆叶片的光合生理生态特性

CO₂是光合作用的原料和底物,影响着光合作用的进程和光合产物的数量.利用Li-6400-40B同时测量大豆叶片在不同CO₂浓度(300、400、500和600 μmol·mol^-1)下的光合电子传递速率和光合作用对光的响应曲线,并用构建的光合作用对光响应机理模型拟合这些光响应曲线,获得大豆叶片一系列的光合参数、生理生态参数和捕光色素分子的物理参数.结果表明: 电子利用效率、最大电子传递速率和最大净光合速率随CO₂浓度的升高而增加;光补偿点和暗呼吸速率随CO₂浓度的升高而下降;光能利用效率和内禀(瞬时)水分利用效率随CO₂浓度的升高而增加,不同CO₂浓度下的最大光能利用效率和最大内禀(瞬时)水分利用效率之间存在显著差异,但不同CO₂浓度下的最大羧化效率的差异不显著.CO₂浓度的大小对光合作用中原初光反应存在一定程度的影响,即高CO₂浓度有利于减小捕光色素分子处于最低激发态的最小平均寿命,以提高光能传递的速度及增加大豆光合电子流的利用效率.