二氧化碳浓度梯度调控对浮萍（Lemna trisulca）生物量积累及固碳效能的促进作用研究

为应对工业烟气CO2过量排放问题，中国科学院团队通过梯度CO2浓度（400-50,000 ppm）处理，系统评估了沉水型浮萍L. trisulca的生理响应。研究发现高浓度CO2（HC, 50,000 ppm）使鲜重、淀粉和蛋白质含量分别提升11.6倍、3.3倍和1.6倍，固碳能力达对照组的18.1倍，为水生植物碳汇及生物能源开发提供新策略。

　　

随着工业革命以来化石燃料的广泛使用，大气CO₂浓度已从175年的280 ppm飙升至2019年的410 ppm，其中燃煤电厂贡献了40%的人为排放。当前碳捕集技术如地质封存需高压能耗，化学吸附易造成二次污染，而生物固碳因其环境友好性和产物增值潜力成为研究热点。水生植物作为水体主要光合生物，其固碳效能备受关注。在浮萍科植物中，沉水型的L. trisulca因其三维生长空间利用率高、CO₂接触效率优异，但相关研究长期集中于重金属吸附而非碳汇能力，形成显著的研究空白。

中国科学院团队通过构建CO₂梯度控制系统（400/10,000/50,000 ppm），采用B5培养基培养L. trisulca 7331株系（源自国家水生生物资源中心），监测14天内生物量、光合参数及关键酶活性变化。通过气相色谱测定碳固定量，分光光度法分析淀粉/蛋白质含量，并采用酶联免疫法检测Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶）和CA（碳酸酐酶）活性。

生长性能分析显示，50,000 ppm CO₂处理组鲜重达13.613±0.507 g，较对照组提升391%，干物质积累增幅达372%。叶绿素a/b比值显著提高，表明光合系统适应性重构。碳代谢产物检测发现，淀粉含量在HC组增长3.3倍至干重35.7%，蛋白质提升1.6倍，游离糖类增加2倍，证实高碳环境促进碳流向储存物质转化。酶活性测定揭示Rubisco活性在HC组提高2.8倍，CA活性增强4.1倍，说明CO₂浓缩机制被激活。固碳效能量化显示HC组单位生物量固碳量为对照的18.1倍，显著优于微藻Botryococcus braunii等传统固碳生物。

讨论部分指出，L. trisulca在超高CO₂（50,000 ppm）下的持续生长突破植物耐受阈值（通常<2,000 ppm），其机制可能与沉水习性带来的气孔调节豁免有关。碳氮比升高驱动淀粉合成通路偏移，这与Andersen等报道的Lemna gibba光呼吸抑制现象形成互补。研究首次证实沉水型浮萍在工业级CO₂浓度下的应用潜力，其单位面积年产淀粉量可达37.8吨/公顷，兼具烟气处理与生物质生产的双重价值。

该成果为水生植物碳汇系统提供新模式：L. trisulca可部署于燃电厂周边水体，通过模块化培养实现CO₂原位转化。后续研究需优化大规模培养中的光传输效率，并解析其超高CO₂耐受的分子机制。论文发表于《Bioresource Technology Reports》，为达成"双碳"目标提供创新性生物解决方案。