CISME水下原位呼吸代謝測量：香港水域珊瑚代謝特性及耐溫耐鹽性研究

氣候變化對珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的影響被廣泛討論，雖然氣候預(yù)報預(yù)測全球海水溫度將穩(wěn)步上升，但區(qū)域水平的溫度變化將更加多變。例如，Yuan等人（2019）發(fā)現(xiàn)南中國海（SCS）熱帶和亞熱帶水域的升溫速率（0.038–0.074°C/年）高于預(yù)測。這種加速是令人擔憂的，因為該地區(qū)被認為是未來海洋變暖的珊瑚避難所，部分原因是亞熱帶水域的珊瑚群落經(jīng)歷了更大的季節(jié)性溫度范圍，因此可能比比熱帶珊瑚更能忍受熱擾動。除氣溫波動外，預(yù)計亞熱帶地區(qū)與強降雨事件相關(guān)的地面徑流頻率和強度將增加，這些事件可能導(dǎo)致珊瑚白化和大量珊瑚死亡。

耐脅迫珊瑚如扁腦珊瑚（Platygyra spp.），被認為非常適合在邊緣礁生存，但對它們短期暴露在異常高溫和低鹽度下的生理反應(yīng)仍然知之甚少。肉質(zhì)扁腦珊瑚（Platygyra carnosa）是一種廣泛分布在中國南海且被認為環(huán)境波動耐受力強的物種，可更好地描述亞熱帶珊瑚的溫度和鹽度耐受性。香港城市大學(xué)海洋污染重點實驗室，利用無損測量技術(shù)（CISME水下原位呼吸代謝測量儀及Diving-PAM水下原位熒光儀），對高溫、低鹽處理下的肉質(zhì)扁腦珊瑚P. carnosa的健康狀況如呼吸、光合作用、生物鈣化和白度等指標進行了試驗研究，確定了P. carnosa的能量可塑性和生理極限，評估了P. carnosa在氣候變化下的代謝過程。



代謝測量可以量化生物系統(tǒng)的能量消耗，并可觀測生物體健康。長期以來，珊瑚生理速率的測量一直備受關(guān)注，并開發(fā)了一些工具和方法以在野外和實驗室研究中獲得這些測量值。對底棲生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝研究利用環(huán)境室測量氧氣和pH隨時間的變化，作為生物過程的指標。最近，通過減小實驗裝置的尺寸和結(jié)構(gòu)，對測量技術(shù)進行了改進，開發(fā)了水下呼吸作用測量儀，通過測量溶解氧、pH值和溫度來量化珊瑚呼吸和光合作用。
 

CISME是一種潛水員可操作的儀器，可對設(shè)定光強下測得的凈產(chǎn)氧速率與在黑暗條件下測得的凈耗氧速率進行比較。它包括電子控制模塊、平板電腦和孵育室測量頭等。這個小孵育室的裝置可將珊瑚表面密封，本試驗設(shè)計測量暗適應(yīng)（5分鐘）期間的耗氧量，以及在模擬自然光（10分鐘）下，當室內(nèi)水持續(xù)循環(huán)時，光合內(nèi)共生體的后續(xù)產(chǎn)氧速率。
 

實驗表明盡管P. carnosa可以在溫度升高（25-32°C）的情況下存活，但其整體能量在溫度>30°C時嚴重降低。相反，P. carnosa對鹽度降低（31-21 psu）適應(yīng)性強，但其生物鈣化率降低。表明該種珊瑚可短期適應(yīng)由于降水量和降水強度的增加導(dǎo)致的鹽度變化。

這項研究為氣候因子對P. carnosa代謝的影響提供了有用的觀點，可更好地預(yù)測未來氣候變化情景下P. carnosa健康狀況的變化。并強調(diào)了使用水下呼吸測量儀現(xiàn)場實時監(jiān)測珊瑚生存能力并將珊瑚生理狀態(tài)量化的必要性。

—— 實驗結(jié)果 ——
 

呼吸作用（R）隨溫度的升高而線性增加，從0.56 μmol O2 cm-2 h-1增加到最高1.57 μmol O2 cm-2 h-1，30°C時最高(Δ0.87±0.08 μmol O2 cm-2 h-1，p<0.01)，但在30和32°C之間保持不變(Δ0.92±0.17 μmol O2 cm-2 h-1，p=0.86)。

Pg總光合速率也隨溫度升高至30°C呈線性增加(Δ0.84±0.02 μmol O2 cm−2h−1，p<0.01)，但在32°C時顯著降低(Δ0.03±0.12 μmol O2 cm−2h−1，p<0.01)。
 

光合效率在30°C時稍有提高(Δ0.06±0.01 Fv/Fm，p<0.05)，但在30°C以上，部分珊瑚片段的光合效率降低了約0.5 Fv/Fm。
 

珊瑚白度的測量在所有溫度下都顯示出普遍的上升趨勢，盡管片段之間的變化較高。相比之下，鈣化速率在25到30°C之間保持不變(p=0.07)，但在30到32°C之間顯著降低(Δ-79.62±34.46 μmol CaCO3 cm-2 h-1，p<0.05)。
 

呼吸速率R、總光合速率Pg和光合效率Fv/Fm的不受鹽度變化的影響(分別為p=0.62，p=0.32和 p=0.52)。 
 

CA在最低鹽度下明顯降低(Δ-0.66±0.03 μmol CaCO3 cm-2 h-1，p<0.05)，在最低鹽度水平下，珊瑚白度略有增加（Δ+7.72±5.68%，p<0.05）。
 

環(huán)境變化對珊瑚代謝的凈影響可表示為Pg/R，代表全功能體的代謝“健康”或狀態(tài)。在溫度效應(yīng)方面，Pg/R在25-30℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在~2.5~3.0之間，處于25℃的對照組測量范圍內(nèi)，但隨后在30~32℃之間逐漸下降，約為對照組的一半(Δ-1.7±0.21，p<0.01；圖3a)。相比之下，盡管對照組和處理組的Pg/R值略低于幾周前溫度試驗期間測得的值（圖3b），但在整個鹽度范圍內(nèi)，Pg/R沒有變化。 
 

使用主坐標分析(PCoA)總結(jié)了歐氏距離。將代謝測量結(jié)果與溫度組進行了聚類。一般來說，25.15°C、27.01-28.9°C和30.2-31.12°C三組之間溫度影響顯著，這表明溫度從~27到~29°C的升高對珊瑚代謝沒有任何可檢測的影響(圖4a)，類似于用Pg/R觀察到的情況。將代謝測量結(jié)果與鹽度組進行了聚類，表明鹽度降低1.25 psu/天，影響珊瑚代謝，但主要影響鈣化和白度(圖4d)。
 

—— 實驗材料及參數(shù)測量 ——
 

采樣點

香港大鵬灣（22.502°N - 114.356°E），赤州的一個淺水區(qū)，（2 - 4米深），此處P.carnosa群體數(shù)量豐富，易于觀測。

采樣

2018年4月13日，使用SCUBA從健康獨立的群體采集十二個珊瑚片段（表面積30-45cm2），裝于透明自封袋標記并在2小時內(nèi)運至實驗室。

實驗前預(yù)培養(yǎng)

培養(yǎng)于室外水箱（300 L），從附近吐露港引入自然流動海水（流速1L/min），避光培養(yǎng)3周。吐露港的海水狀況與赤州附近采集點的海水狀況相似，海水狀況完全在P.carnosa的耐受范圍內(nèi)。

理化參數(shù)

用YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀（YSI EXO2，Xylem）監(jiān)測現(xiàn)場和實驗水箱中海水的理化學(xué)參數(shù)（溫度、鹽度、pH、溶解氧和濁度），每次實驗前使用標準液（Xylem）校準。

總堿度AT測定

實驗第二天采集散海水樣本，立即用飽和氯化汞溶液（最終濃度為0.08%）對樣品進行固定，分析前將其避光冷藏儲存（+4°C）。參考《海水二氧化碳測量最佳實踐》（Dickson等人，2007年）敞口式酸度電位滴定法，使用配有DGi115-SC電極的G20s梅特勒-托利多自動滴定儀，分析樣本體積20 g。

珊瑚生理指標測量

使用水下呼吸代謝測量儀（CISME，CISME Instruments LLC）在珊瑚表面測量呼吸作用(R)和凈光合作用(Pn)速率�？偣夂献饔肞g=|R|+Pn。以孵育期間的氧通量計量。每次光照孵育結(jié)束，收集循環(huán)室的水樣以測量總堿度AT。

珊瑚鈣化率(CA)的測定：采用堿度異常技術(shù)(Schoepf，2017)，珊瑚表面積標準化為24.5 cm2。

珊瑚總能量：Pg/R

珊瑚白度：用Primer 5.0軟件（Primer-E,Ltd）的SIMPER工具測量對照組和實驗組珊瑚在照片顏色組成上的差異百分比，表示白度值。

共生體光合能力

使用水下脈沖調(diào)制熒光儀Diving-PAM(Heinz Walz，Effeltrich，Germany）測量最大光量子產(chǎn)量(Fv/Fm)。

測量時間

有對珊瑚片段的測量都在中午（上午10:30至下午1:30）進行。調(diào)節(jié)室內(nèi)的LED強度，使其與珊瑚采集點當天中午的現(xiàn)場輻照度(約460 μmol m-2s-1)相匹配。
 

—— 文章來源 ——
 

Dellisanti W, Tsang R H L, Ang Jr P, et al. Metabolic performance and thermal and salinity tolerance of the coral Platygyra carnosa in Hong Kong waters. Marine Pollution Bulletin, 2020, 153: 111005. DOI:  10.1016/j.marpolbul.2020.111005.