高碱度缓解高CO?海洋对有孔虫钙化数量与质量的负面影响

《Scientific Reports》：High alkalinity mitigates the negative impacts of high-CO2 ocean on foraminiferal calcification quantity and quality

　　

摘要专业翻译 海洋酸化威胁着海洋钙化生物，但海水pH和总碱度（total alkalinity, TA）对壳体形成的独立影响仍知之甚少。本研究通过实验将pH与碱度解耦，考察了二者对大型底栖有孔虫（large benthic foraminifer, LBF）Amphisorus kudakajimensis壳体生长和密度的影响。在当代碱度水平下，低pH显著降低了壳体重量、体积和密度，而同步升高的碱度在很大程度上补偿了这些负面影响。壳体重量和体积在测试的方解石饱和状态（Ωcalcite）范围内呈增加趋势，与可利用的无机碳底物和抑制性质子之间的平衡相一致。相比之下，壳体密度表现出更为受限的响应，提示进一步的致密化存在生理极限。这些结果为一种碳酸盐化学机制提供了实验支持，该机制可能有助于解释白垩纪海洋低pH但高饱和状态的条件下钙化生物为何能够持续繁盛。研究结果还表明，通过海洋碱度增强（ocean alkalinity enhancement, OAE）维持碳酸盐饱和状态，有助于在未来酸化条件下保护钙化作用。因此，在评估海洋碳酸盐生产者对海洋化学变化的脆弱性时，应区分壳体生长与壳体密度的变化。

论文解读文章

一、研究背景与科学问题

自工业革命以来，大气二氧化碳（CO?）浓度的持续升高已驱动全球海洋pH值逐步下降。在高排放情景下，地球系统模型预测到2100年大气CO?将升至约1250 ppm，海洋表层pH将从当前的平均约8.1降至约7.6。表层海水通常对方解石和文石等碳酸钙矿物处于过饱和状态，支撑着珊瑚、甲壳类和原生生物等海洋钙化生物的生长。然而，预计到本世纪中叶至末期，大面积海域将对文石不饱和，尤其是60°S以南及亚极地太平洋的部分区域。这些变化统称为海洋酸化，被广泛预测将阻碍海洋钙化生物的钙化、生长、繁殖和生存能力。

大型底栖有孔虫（LBF）是单细胞海洋原生生物，通常携带光合共生体并产生碳酸钙壳体。它们广泛分布于热带和亚热带温暖贫营养的浅水环境中，是现代珊瑚礁生态系统中仅次于造礁珊瑚和钙化藻类的第三大碳酸盐生产者。因此，理解LBF对海洋酸化的生理和生态响应，对于预测区域和全球尺度碳酸盐资源的未来变化至关重要。

在LBF中，粟孔虫目（Miliolida）物种（如Amphisorus和Marginopora）采用独特的钙化机制，与其他主要钙化类群根本不同。与轮孔虫目有孔虫利用胞内Mg富集无定形碳酸钙（Mg-ACC）库和主动pH调控进行钙化不同，粟孔虫目在隔室形成过程中于有机基质内组装由细小针状晶体组成的高镁方解石壳体。相较于轮孔虫目较为明确的主动pH调控机制，粟孔虫目钙化过程中的pH调控仍了解甚少。其独特的钙化途径可能导致对外部碳酸盐化学的敏感性不同。因此，粟孔虫目有孔虫对海洋酸化相关的pH降低和方解石饱和状态（Ω_calcite）下降尤为敏感，在此类条件下常表现出钙化速率降低和壳体密度受损。

在许多海洋钙化生物中，质子调控在能量上代价高昂，外部海水中无机碳底物（如碳酸氢根）的可利用性与抑制性质子（H?）浓度之间的平衡至关重要。这一平衡被概念化为底物-抑制剂比（Substrate-Inhibitor Ratio, SIR）。尽管SIR框架已应用于多种海洋钙化生物，但其在pH和碱度实验解耦条件下对粟孔虫目钙化的影响仍知之甚少。

在自然环境中，温度、pH、光照和营养盐浓度等因素同时变化，使研究单一驱动因子对钙化的影响变得复杂。培养实验则允许将单个参数分离并在较长时间内维持恒定水平。此外，实验控制使得考察自然界难以或无法观察的环境条件成为可能，如pH和总碱度（TA）的独立变化——TA是反映海洋生态系统缓冲未来pH变化能力的参数。

近年来，微焦点X射线计算机断层扫描（microCT）技术已实现对有孔虫壳体体积和体密度的微米级分辨率直接、无损、高精度量化。然而，鲜有实验研究明确区分海水碳酸盐化学变化下钙化数量（如壳体重量和体积）与钙化质量（如体密度）的差异响应。

除预测未来海洋酸化的生态影响和评估海洋碱度增强（OAE）策略的生物学后果外，LBF研究还有助于解释过去海洋条件下的钙化速率。古海洋学中一个长期存在的悖论是：白垩纪时期尽管大气CO?浓度显著高于现今且表层海洋pH更低，钙质浮游生物和底栖钙化生物却广泛繁盛，并伴随大量白垩沉积。地球化学模型通过长期碳酸盐循环动力学解释这一现象：在数百万年时间尺度上，增强的大陆风化向海洋供应充足的TA，即使在低pH条件下仍维持高Ω。然而，这一生物缓冲机制的直接实验证据仍然稀缺。

此外，解耦pH和TA与当代气候减缓策略高度相关，尤其是OAE——一种通过人为向海洋添加碱度以增强CO?去除并缓冲海洋酸化的气候减缓策略。OAE虽有望缓解酸化对海洋生态系统的负面影响，但其对LBF等主要碳酸盐生产者的具体生物学影响仍缺乏充分约束。

基于上述背景，本研究旨在通过独立操纵海水pH和碱度，考察它们对LBF Amphisorus kudakajimensis钙化的影响，具体目标包括：（i）区分钙化数量和质量的pH与碱度敏感性差异；（ii）评估升高碱度能否补偿低pH对钙化数量和质量的负面影响；（iii）评估这些响应对于理解未来海洋酸化和OAE潜在生物学后果的意义。

二、研究设计与技术方法

研究人员于2023年4月从日本冲绳Bise岬浅礁坪采集Amphisorus kudakajimensis标本，在25°C过滤海水中培养使其进行无性繁殖以获得遗传一致的克隆个体，以最小化遗传混杂因素。实验建立四个处理组：现代海水（Control）、低pH海水（Low-pH）、高TA海水（High-TA）以及低pH加高TA海水（Cretaceous）。高碱度海水通过将GSJ认证地球化学参考物质JCp-1（Porites sp.）溶解于过滤海水制备，随后在CO?控制培养箱中于两种大气pCO?水平下平衡。每个处理组初始分配24个克隆个体，培养3个月，温度恒定为25°C，光暗周期12h:12h，盐度35.02‰。每个处理组的全部个体培养于单个100 mL玻璃瓶中，每两周更换培养水，每天随机旋转培养瓶以消除空间偏差。

实验结束后，收集存活个体并用微天平测量干重作为壳体重量。microCT扫描于东北大学博物馆使用高分辨率microCT扫描仪（ScanXmate-D160TSS105/11,000, Comscantecno Co. Ltd.）进行，扫描条件为源电压90 kV、源电流30 μA、旋转步长0.18°，空间分辨率1.07 μm/像素。使用Molcer Plus软件从三维重建模型测量最大壳体直径、隔室数和壳体体积，壳体体密度按重量除以体积计算。统计分析使用PAST软件（ver. 5.3），因数据不符合正态性假设，采用非参数Kruskal–Wallis检验评估处理效应，显著性差异时采用双侧Dunn事后检验并进行Bonferroni校正，显著性水平设为P < 0.05。

三、主要研究结果

海水碳酸盐化学对钙化数量的影响

壳体重量在各处理组间差异显著（Kruskal–Wallis检验P < 0.0001, H₍₄₎ = 81.14），Low-pH处理组中位数最低（40.2 μg），High-TA组最高（399.9 μg），Control和Cretaceous组居中且无显著差异（157.2 vs. 139.7 μg, P = 1.000）。壳体体积呈现与重量相似的模式，Low-pH组中位数最低（0.025 mm3），High-TA组最高（0.183 mm3），Control和Cretaceous组居中（0.077和0.062 mm3）且无显著差异。结果表明低pH显著抑制钙化数量，高碱度显著促进钙化数量，而低pH加高碱度条件可使钙化数量恢复至与现代海水相当的水平。

海水碳酸盐化学对钙化质量的影响

壳体体密度在各处理组间差异显著（Kruskal–Wallis检验P < 0.0001, H₍₄₎ = 70.16），但统计分组较少。实验前标本密度最低（1.39 mg/mm3），Low-pH处理组略低（1.57 mg/mm3），其余三组接近（2.05–2.26 mg/mm3）。Control和Cretaceous组间存在轻微显著差异（P = 0.0269），但二者均与High-TA组无显著差异。结果表明低pH降低壳体密度，而高碱度虽不能使密度超越生理上限，但可有效维持密度于正常水平。

壳体参数对Ω_calcite的响应

壳体重量和体积随Ω_calcite升高而增加，而壳体体密度表现出更受限的非线性响应。High-TA处理组Ω_calcite = 8.98，远高于Cretaceous组的3.94，但两组密度无显著差异，表明密度存在生物学上限，而壳体大小可随可用资源继续扩展。

四、讨论与结论

本研究表明，低pH加当代碱度条件损害了A. kudakajimensis的钙化，与先前操纵pCO?条件下的观察一致。与温度胁迫下LBF壳体密度保持恒定的先前发现不同，严重酸化可同时损害钙化数量和质量的调控机制。粟孔虫目有孔虫在分离的胞内液泡中沉淀高镁方解石，与利用耗能主动质子泵提升胞内pH的轮孔虫目不同，其胞内钙化过程高度受外部碳酸盐化学影响。低pH条件下外部海水H?浓度升高作为强抑制剂，使维持有利的内部饱和状态变得困难，导致壳壁内晶体压实不足。虽然A. kudakajimensis携带的光合甲藻共生体可在白天提升壳体周围微环境的pH，但由于所有处理在相同光照条件下维持，光合缓冲不能解释处理间差异。

高碱度条件下钙化数量显著增加，但高碱度加当前pH处理与低pH加高碱度处理的对比响应表明，仅增加底物可利用性并不能决定钙化数量。壳体密度在高碱度条件下无显著变化，表明壳体密度受生物学上限约束，而壳体大小可随可用资源扩展。钙化数量和质量受部分独立机制调控。

最显著的发现是：低pH处理下显著降低的钙化数量在碱度同步升高时恢复至与现代海水相当的水平，表明低pH的负面影响可被升高碱度有效缓解。钙化响应并非仅由pH或TA决定，而是反映二者相互作用产生的碳酸盐系统条件，特别是碳酸氢根浓度（[HCO??]）、碳酸根离子浓度（[CO?2?]）及相应的Ω_calcite。高TA处理显著增加了[HCO??]——钙化的重要无机碳底物，有效抵消了低pH相关升高的质子的抑制作用，从而改善SIR。Control和Cretaceous处理虽pH和TA差异显著，但[CO?2?]和Ω_calcite大致相当，钙化数量也相当，表明钙化追踪Ω_calcite而非pH或TA本身。这与先前在近缘种Amphisorus hemprichii的恒定碳酸盐实验中钙化在[CO?2?]恒定时保持不变的发现一致，两种独立实验方法的汇聚表明Ω_calcite而非pH或pCO?单独是与粟孔虫目钙化相关的因素。

与钙化数量形成鲜明对比，壳体体密度表现出非线性响应，表明生长调控与结构质量之间存在根本性解耦。本数据提示该大型底栖物种在生长过程中存在持续致密化过程，这一过程在低pH处理下受抑，但在低pH加高碱度条件下得以维持。高碱度可补偿低pH对钙化质量的负面影响，使生物在“白垩纪”条件下维持结构完整性，但不能驱动密度超越生物学上限。这一观察与将钙化响应分为“线性”和“阈值”类别的近期框架一致。

关于白垩纪悖论，本研究通过操纵碱度实验模拟了高饱和条件，结果与解释一致：低pH处理下减少的钙化数量和质量在碱度和Ω_calcite升高时大幅恢复。这支持了维持有利饱和状态可能是钙化生物在高CO?世界中持续生存的重要机制，无论高Ω是由TA、钙离子浓度还是二者共同驱动。相比之下，当前CO?释放速率过快，无法被岩石风化的缓慢补偿反馈所抵消，未来海洋酸化将使钙化生物暴露于日益低pH和低Ω_calcite的条件。

在OAE背景下，研究结果表明若OAE成功提升区域TA并恢复Ω_calcite，即使表层海洋pH仍相对较低，也能有效保障粟孔虫目有孔虫的钙化数量。然而，由于钙化质量呈阈值响应且不随碱度无限增加，OAE可能主要起防止结构退化的作用，而非使壳体坚固性超越自然基线。因此，OAE虽是有前景的缓冲策略，但其应用需谨慎监测以确保达到目标饱和状态而不产生意外的生理权衡。

本实验的局限性在于每个碳酸盐化学处理仅在单个培养容器中维持。尽管使用克隆个体、控制海水化学和每日随机旋转培养瓶减少了生物变异和培养箱内空间偏差，但这些措施不能替代独立的容器级重复。未来使用每个处理多个独立培养容器的实验对于确认结果的普适性至关重要。

综上所述，本研究揭示了LBF钙化数量和质量对海水碳酸盐化学的解耦响应。钙化数量在测试的Ω_calcite范围内增加，表明Ω_calcite是与钙化相关的碳酸盐化学条件的重要指标。相比之下，钙化质量表现出更受限的非线性响应，提示进一步壳体致密化存在生理极限。研究证明升高碱度可补偿低pH加环境碱度条件下观察到的负面钙化效应，为可能解释白垩纪钙化悖论的碳酸盐化学机制提供了实验支持。在未来海洋酸化下，海洋钙化生物预计将面临日益低pH和低Ω_calcite的条件，可能同时损害钙化数量和质量。这些观察凸显了碳酸盐生产者对全球气候变化和海洋酸化脆弱性的复杂性；仅依赖生长指标可能导致对这些脆弱性的显著低估。