海洋酸化对石珊瑚早期骨骼发育的影响：基于4D成像的钙化机制与矿物相组成研究

本综述深入探讨了海洋酸化（OA）对石珊瑚早期骨骼生物矿化的影响，结合同步辐射X射线μCT、扫描电镜（SEM）和蒙特卡洛模拟等多学科技术，揭示了快速沉积区（RADs）与增厚沉积区（TDs）在微米-亚微米尺度的形成动态与矿物相组成。研究发现，正常pH下TDs中非晶碳酸钙（ACC）占比高达65%，而OA条件下骨骼密度升高但ACC减少至50%，同时RADs发育受阻导致骨骼抗弯曲能力下降。该研究挑战了传统的“逐步生长模型”，为珊瑚应对气候变化的机制提供了全新见解。

　　

海洋酸化对石珊瑚早期骨骼发育的4D洞察：矿物相组成与力学性能的跨尺度研究

珊瑚礁的形成依赖于石珊瑚的生物矿化过程，但日益加剧的海洋酸化（Ocean Acidification, OA）正严重威胁这一过程。本研究以印度洋-太平洋广泛分布的石珊瑚物种Stylophora pistillata的初级珊瑚虫为模型，通过结合同步辐射X射线微计算机断层扫描（μCT）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和蒙特卡洛模拟等跨学科技术，揭示了在正常pH（8.2）与酸化pH（7.6）条件下珊瑚早期骨骼的生长动态、矿物相组成与力学性能的变化。

▍ 生长区密度差异及其对OA的响应

高分辨率X射线μCT和SEM分析表明，快速沉积区（Rapid Accretion Deposits, RADs）和增厚沉积区（Thickening Deposits, TDs）在密度上存在显著差异。正常pH条件下，TDs的矿物密度比RADs高3.9%。而在OA条件下，两者密度均显著上升：TDs和RADs的密度分别增加13.2%和13.7%。这一发现通过背散射电子测量和密度校准得以量化，表明OA不仅影响骨骼宏观形态，更改变了其微观物质组成。

▍ 三维形态计量揭示OA抑制骨骼发育并挑战传统生长模型

相位衬度增强的断层扫描重建显示，RADs和TDs在三维空间中形成错综复杂的网络结构，其中TDs构成骨骼主体。OA条件下，RADs和TDs的总体积均显著减少，导致整个珊瑚虫骨骼体积缩小。更精细的形态分析表明，在珊瑚隔片（septa）的20%-50%高度区域，OA条件下TDs的横截面积、宽度和长度均减小。而RADs的发育受损更为严重，其形成高度从正常pH下的≈5%延迟至>10%，表明RADs无法先于TDs形成——这一发现直接挑战了经典的“逐步生长模型”（step-by-step model），支持了“层状同时生长模型”（layered model）。

▍ 惯性矩降低与晶体尺寸增大：OA削弱骨骼机械性能

基于三维形态数据计算的最大惯性矩（第二面积矩）表明，OA条件下珊瑚骨骼的抗弯曲能力显著降低，尤其在骨骼基部（0-10%高度区域）。这一变化并非由于骨骼材料总量减少，而是由于RADs的缺失导致材料分布不均。与此同时，X射线衍射与SEM联用分析显示，OA条件下文石晶体的平均宽度从128 nm增大至168 nm（增幅≈30%）。晶体尺寸的增大意味着晶界减少，可能导致材料强度下降，这与纳米晶材料中“晶界强化”的经典理论相符。

▍ ACC占比量化：OA促使矿物相组成转向结晶态

通过蒙特卡洛模拟背散射电子与矿物相的相互作用，本研究首次量化了TDs中非晶碳酸钙（Amorphous Calcium Carbonate, ACC）与文石的相对比例。正常pH条件下，TDs中仅35%为文石晶体，其余65%为ACC（密度假设为1.62 g·cm^?3）；而在OA条件下，文石比例上升至50%，ACC降至50%。这一相组成变化直接解释了观察到的密度升高现象。此外，X射线荧光（XRF） mapping显示锶元素在正常pH下分布更广，暗示其可能作为ACC的稳定剂，进一步支持了ACC在珊瑚生物矿化中的关键作用。

本研究通过多尺度、多技术联用的策略，揭示了海洋酸化通过改变珊瑚骨骼的矿物相组成、晶体尺寸和三维结构，从而影响其机械性能的复杂机制。这些发现不仅深化了对珊瑚生物矿化机理的理解，也为预测珊瑚礁生态系统在气候变化下的命运提供了关键科学依据。