双同位素示踪定量微藻对碳源利用份额的方法研究

2015年8月,在人工温室培养环境下,以蛋白核小球藻为实验材料,通过向培养液中添加两种标记δ13C的碳酸氢钠来培养微藻,每天定时监测培养液的无机碳稳定同位素组成和微藻生物量,并测定最终获得的微藻藻体的有机碳稳定同位素组成,运用双同位素示踪模型,通过无机碳稳定同位素和有机碳稳定同位素两种方法,分别成功计算出了微藻利用不同碳源的份额,实验结果分别为:添加5.0 mmol/L碳酸氢钠条件下是0.19、添加10.0 mmol/L条件下是0.37、而添加20.0 mmol/L条件下是0.57。并对这两种算法进行了分析。定量计算微藻对不同无机碳源的利用份额,在岩溶湖泊碳循环研究领域具有重要意义。      

微藻无机碳利用在岩石风化及碳循环过程中的作用

岩溶碳汇呈现两种不同观点:(1)岩溶碳汇巨大,其机理在于岩溶区藻类及光合细菌利用碳酸氢根离子(HCO₃^-)实现光合作用,从动力学上加速了岩溶风化过程,促进大气CO₂的溶解。(2)岩溶区碳酸盐岩的风化作用,产生HCO₃^-,随后产生等量的阳离子在海洋中进行碳酸盐岩的沉积作用,这仅仅体现的是碳酸盐岩的搬运作用,不能体现碳汇,在长期尺度上仅仅有硅酸盐岩风化产生净碳汇。文章抓住岩石风化产生HCO₃^-与微藻光合作用利用HCO₃^-的耦合点,分析了典型代表性水生生物——微藻在无机碳利用上对岩石风化及碳汇的影响。从微藻光合无机碳利用机制以及光合作用关键性酶-碳酸酐酶(CA)作用两方面,论证了微藻生长对岩石风化及其碳汇的的促进作用;同时论述高pH、高HCO₃^-的风化环境对微藻生长影响。获得以下新认识:(1)微藻通过胞外碳酸酐酶(CAex)利用了大量HCO_3<...     

微藻CO2同化过程的稳定碳同位素分馏值

研究微藻CO2同化过程中的碳同位素分馏值,对研究微藻在碳效应过程中的作用具有重要意义。目前还没有获取微藻CO2同化过程的稳定碳同位素分馏值的在体实验方法。文章以莱茵衣藻、蛋白核小球藻、及野外红枫湖混合藻三种岩溶湖泊微藻为例,利用双向标记建立了能在体获得此分馏值的方法,并通过此分馏值定量了微藻的各种无机碳利用途径份额。获得各自CO2同化过程中的碳同位素分馏值分别为15.3‰、14.8‰、21.7‰。三种藻分馏值差异主要与藻的种类及其细胞体积大小有关。利用此分馏值计算出衣藻、小球藻、混合藻自然培养下的碳酸氢根离子途径利用份额分别为100%、81.1%、97.8%,表明了生长在岩溶湖泊的微藻利用无机碳的途径主要为碳酸氢根离子。      

重庆地区岩溶地下河水溶解无机碳及其稳定同位素特征

稳定碳同位素是指示岩溶动力系统碳来源及转化的重要指标。为揭示重庆地区岩溶地下水中溶解无机碳基本特征和碳来源,本文对该地区63条岩溶地下河水样进行了水化学和碳同位素分析。研究结果表明,重庆地区地下河水溶解无机碳主要表现形式为HCO3-,雨季由于稀释作用其浓度低于旱季。重庆岩溶地下河水δ13C-DIC（V-PDB）旱季变化范围为-15.34 ‰～-5.89 ‰,雨季变化范围为-17.40 ‰～-4.23 ‰。根据δ13C同位素质量平衡方法,计算得到重庆地下河旱季碳酸盐岩溶蚀对DIC贡献为45.1 % ～79.7 %,雨季平均为34.6 %～82.1 % 。计算结果表明,在人类活动不断增强的情况下,岩溶水体DIC通量中碳酸盐岩溶解来源的DIC和其参与岩溶地下水δ13C值的形成并不一定是岩溶作用理论方程中所计算的50 %,而是有一定的变化范围。因此在计算岩溶作用碳汇时,建议通过δ13C值扣除碳酸盐岩溶蚀形成DIC的通量后再来推算岩溶作用形成的碳汇量。      

微型生物在岩溶碳循环中的作用研究回顾与展望

全球气候变化问题使岩溶系统碳循环的研究倍受关注,有关微型生物及其碳酸酐酶在岩溶系统碳循环中的作用的认识也在不断深入。文章回顾了微型生物及其碳酸酐酶在碳酸盐岩风化以及碳酸盐岩沉积过程中的作用过程及作用机制,指出未来的研究需结合不同岩溶生态环境,量化微型生物及其碳酸酐酶对岩溶生态系统碳增汇的影响,为深入研究微型生物及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的贡献、增加岩溶生态系统碳汇的能力、助力实现碳中和提供参考。      

CO2浓度梯度对两种岩溶微藻碳酸酐酶活性的影响

以经岩溶水驯化的小球藻（Chlorella vulgaris）和喜钙念珠藻(Nostoc calcicola Breb.)为实验对象,在封闭体系中用Willbur和 Anderson 方法比较研究两种不同微藻在不同CO2浓度下碳酸酐酶活性变化情况。结果表明:在低于3%CO2浓度的环境中岩溶微藻可通过快速调节自身碳酸酐酶活性来应对CO2升高带来的生境影响,在影响最大的2.5%的环境下小球藻与喜钙念珠藻碳酸酐酶活性分别提高了1.46倍和2.12倍;岩溶微藻应对CO2浓度增大带来的pH下降有着重要的恢复作用,随培养时间增长培养环境中的pH得到恢复;随着CO2浓度的增大,岩溶因子对碳酸酐酶有着重要的影响;培养48 h时Ca2+与喜钙念珠藻碳酸酐酶的相关性最高,而电导率（EC）与小球藻碳酸酐酶相关程度最高。      

岩溶地质碳汇的稳定性——以贵州草海地质碳汇为例

近几年来对岩溶碳汇的争论越来越多, 其关键问题是岩溶作用产生的重碳酸根是否稳定。本文以贵州草海流域为研究区, 基于前人研究基础, 以碳同位素模型计算出岩溶作用产生的DIC((Dissolved Inorganic Carbon溶解无机碳)中58.8%为草海中为水生植物利用, 草海地质碳汇量达588.67 tC/a。以此推算长江中下游湖泊沉水植物每年固碳量370602 tC/a, 长江中下游湖泊中仅沉水植物稳定的地质风化CO2汇量约为75万吨。从而证明岩溶碳汇的相对稳定性和岩溶动力系统新理论的合理性。     

微藻及其碳酸酐酶对石灰岩土壤系统中钙元素迁移的驱动作用实验研究

本文以微藻(莱茵衣藻)为材料,通过室内模拟石灰岩土壤系统,对接种微藻的土柱进行不同淋滤条件的处理,系统监测了淋出液的电导率、Ca2+浓度和碳酸酐酶的活性。结果表明,以双蒸水进行淋滤的土柱,Ca2+总淋出量在24 d时仅为以微藻培养液进行淋滤土柱的11.9%,且淋出液碳酸酐酶的平均活性与Ca2+总淋出量间有较好的相关性,说明微藻及其碳酸酐酶对石灰岩土壤系统中的Ca元素迁移有较强的驱动作用。本文的研究结果为探讨藻类碳酸酐酶在岩溶发育中的作用提供了一定的科学依据,进一步深入研究将有助于弄清藻类及其碳酸酐酶对岩溶碳汇的作用。     

论岩溶作用对全球碳循环的意义与碳汇效应——兼对《对<中国岩溶作用产生的大气CO2碳汇分区估算>一文的商榷》的答复

岩溶作用促进大气二氧化碳汇过程不仅局限于碳酸盐岩地区,而是涉及全球陆地地质岩石地区,因此以前仅考虑岩溶面积计算的岩溶碳汇量偏低,需要以河流流域为单元全面计算全球岩溶碳汇效应。除了产生河流溶解无机碳被带入海洋外,岩溶作用还可通过水体生物吸收形成颗粒有机碳以及在岩溶土壤中固定有机碳等方式形成碳汇,因此,岩溶地质过程固碳形式多样。其中,仅全球水生生物固定岩溶水重碳酸根产生的有机碳近0.5Gt,生态恢复可促进岩溶土壤有机碳固定及岩溶流域碳汇,我国西南石漠化治理工程至少可增加岩溶碳汇2~3亿t,如果重视岩溶增汇技术的应用,全球岩溶碳汇效应将非常显著。所以,岩溶碳汇研究意义重大,岩溶碳汇效应更不可忽略。      

喀斯特地区碳酸酐酶与环境的关系及意义

本文综述了喀斯特地区碳酸酐酶及其与环境的关系和地球化学意义。碳循环通过碳酸酐酶影响水生生态系统。碳酸酐酶是水体碳循环的一个重要因子，是生物地球化学作用的一个重要标志。不同环境条件如水、光、pH值、无机和有机离子等可对碳酸酐酶活性造成不同程度的影响。对于不同岩溶生态系统，植被覆盖率低的土壤碳酸酐酶活性低于植被种类丰富的土壤碳酸酐酶活性。同一类型岩溶生态系统不同岩溶地形的土壤碳酸酐酶活性也不同。研究岩溶地区土壤碳酸酐酶的地球化学作用，可以为岩溶生态系统碳循环的研究提供新的途径和方法，并为岩溶地区石漠化的防治提供理论依据。     

Effects of carbon anhydrase on utilization of bicarbonate in microalgae: a case study in Lake Hongfeng

A bidirectional labeling method was established to distinguish the proportions of HCO₃^? and CO₂ utilization pathways of microalgae in Lake Hongfeng. The method was based on microalgae cultured in a medium by adding equal concentrations of NaH¹³CO₃ with different δ¹³C values simultaneously. The inorganic carbon sources were quantified according to the stable carbon isotope composition in the treated microalgae. The effects of extracellular carbonic anhydrase (CAex) on the HCO₃^? and CO₂ utilization pathways were distinguished using acetazolamide, a potent membrane-impermeable carbonic anhydrase inhibitor. The results show utilization of the added HCO₃^? was only 8% of the total carbon sources in karst lake. The proportion of the HCO₃^? utilization pathway was 52% of total inorganic carbon assimilation. Therefore, in the natural water of the karst area, the microalgae used less bicarbonate that preexisted in the aqueous medium than CO₂ derived from the atmosphere. CAex increased the utilization of inorganic carbon from the atmosphere. The microalgae with CAex had greater carbon sequestration capacity in this karst area.     

酸雨对桂林枯水期岩溶地下水δ13CDIC及碳汇效应的影响

定量评价硫酸对岩溶碳汇效应的影响有助于提高岩石风化碳汇通量估算精度, 对当前全球气候变化研究意义重大.选取受酸雨影响的桂林岩溶区为研究对象, 在枯水期对研究区14个岩溶大泉和15条地下河水化学成分和碳同位素进行了测试分析, 结果表明: 岩溶大泉和地下河中阳离子以Mg2+和Ca2+为主, 阴离子以HCO₃-为主, 分别占阳离子和阴离子组成的90%以上, SO₄2-含量较低, 其含量范围为0.004~0.213mmol/L; 所占阴离子组成比例为0.12%~6.11%;δ13C_DIC、[Ca2++Mg2+]/[HCO₃-]更偏向于碳酸溶解端元, 离硫酸溶解端元距离远, 证实硫酸参与碳酸盐岩的溶解对地下水无机碳(dissolved inorganic carbon, 简称DIC)及δ13C_DIC的影响有限; 与Sr2+/Ca2+值一样, δ13C_DIC主要受径流条件控制, 其大小可以反映地下水径流条件的强弱.利用化学计量关系计算出由硫酸溶蚀碳酸盐岩的平均比例为22.64%, 产生的DIC(HCO₃-_H2SO4)占总DIC的平均比例为13.04%, 碳酸产生的DIC(HCO₃-_H2CO3)占地下水总DIC的比例为86.96%, 其中来源于土壤大气中的HCO₃-比例为43.48%.因此, 扣除硫酸对地下水中DIC的贡献后, 岩溶碳汇效应将减少13.04%.      

The Influence of Allogenic Water and Sulfuric Acid to Karst Carbon Sink in Karst Subterranean River in Southern Hu’nan

Evaluating the impact of allogenic water and sulfuric acid on karst carbon sink not only helps to improve the accurate calculation of soil CO₂ uptake by rock weathering, but also obtains a complete understanding of the global carbon cycle. Groundwater samples were collected from four karst subterranean rivers watershed within different lithology strata in Wushui Basin, upstream of Beijiang Basin, Hunan Province, for revealing the important impact of silicate weathering on hydrochemistry of groundwater. To estimate the contribution of soil CO₂ uptake by silicate weathering to CO₂ uptake by rock weathering, the Galy model was employed in this article. The important impact of sulfuric acid on CO₂ uptake by carbonate weathering resulting from the substitution of carbonic acid by protons from sulfuric acid was investigated. Our results showed that the concentration of Na⁺, K⁺ and SiO₂ in L01,L02 subterranean river with silicate strata in watershed were higher than that in L03,L04 subterranean river without silicate strata in watershed, which implied that the contribution of silicate weathering to Na⁺,K⁺ and SiO₂ was very important in watershed within silicate strata . The changeable equivalent ratio between (Ca²⁺+Mg²⁺) and HCO₃^- was 1.05 to 1.15, and the value of [Ca²⁺+Mg²⁺]/[HCO₃^-+SO₄^2-] was 0.99 to 1.08. The concentrations of Ca²⁺ and Mg²⁺ exceeded the equivalent concentrations of HC₃^-, and the excess of Ca²⁺ and Mg²⁺cations were compensated by SO₄^2-, which suggested that sulfuric acid has an important influence on carbonate dissolution. The contribution of soil CO₂uptake by silicate weathering to CO₂ consumption in L01 and L02 subterranean river were 3.36% and 2.22%, respectively, whereas the contribution in L03, L04 subterranean river were less than 0.50%, indicating that the contribution of soil CO₂ uptake by silicate weathering was important in the subterranean river basin within silicate strata. Due to the contributions made by sulfuric acid, the CO₂ consumption in four subterranean rivers decreased by 4.84%, 4.52%, 6.20%, 9.36%, respectively.     

单生卵囊藻对DIC的利用及其对CaCO3沉积影响的研究

以生长在钙华池中的单生卵囊藻（Oocystis solitaria Wittr）为研究对象,利用pH漂移方法,探讨了封闭系统中单生卵囊藻在岩溶水和非岩溶水环境下对溶解无机碳（DIC）利用及其对水体Ca^2＋沉积影响的差异。结果表明,单生卵囊藻在低CO2浓度时,通过胞外碳酸酐酶的催化,以HCO3^-作为无机碳源进行光合作用。在岩溶水环境下单生卵囊藻DIC利用能力要高于非岩溶水环境（4．78倍）,而在此过程中对水体中Ca^2＋沉积的影响也更高（2．13倍）。在岩溶水（非岩溶水）环境下,有42．6％（8．9％）的Ca^2＋通过物理化学效应以CaCO3形式沉积,其余Ca^2＋可能被藻体生长而吸收利用．．     

The role of microalgae and their carbonic anhydrase on the biological dissolution of limestone

This study aims to investigate the effect of microalgae and their carbonic anhydrase (CAex) on limestone dissolution. The dynamics of Ca²⁺ and Mg²⁺ release, the model for the amount of Mg²⁺ released and biological cumulative effect time by the microalgae Chlamydomonas reinhardtii (CR) and Chlorella pyrenoedosa (CP), and the algal stable carbon isotopic composition (δ¹³C) in the presence and absence of the membrane-impermeable CAex inhibitor acetazolamide (AZ) were compared in a medium containing limestone. The amount of Mg²⁺ released from the limestone in the treatment without AZ was more than that with AZ during the logarithmic phase. The amounts of Mg²⁺ release unit algal biomass and unit time in CR and CP were 3.37 × 10^?4 and 2.44 × 10^?4 mg/μg days in the treatment without AZ, respectively, and only 1.99 × 10^?4 and 2.19 × 10^?4 mg/μg days in the treatment with AZ, respectively. The biological dissolution of the algae increased with increasing algal CAex activity. The variation of Ca²⁺ was influenced by reprecipitation, and the algal limestone dissolution cannot be shown distinctly. The CAex of the microalgae may be beneficial for CaCO₃ reprecipitation, and the δ¹³C values of the algal cells with AZ were lower than those without AZ. Therefore, AZ not only can inhibit limestone dissolution by inhibiting microalgal growth, but also can reduce limestone dissolution by decreasing CAex catalysis. The results suggest the important influence of microalgae and their CAex on the biokarst process.     

重庆岩溶地下河水文地球化学特征及环境意义

岩溶地下河系统是岩溶地区重要的地下水资源,重庆地区分布有岩溶地下河380条,是重庆市重要的地下水资源。为宏观掌握重庆地区岩溶地下河水化学特征,了解区域岩溶地下河水化学影响因素及分布规律,研究了重庆不同地区61条岩溶地下河水文地球化学特征。结果表明,重庆地区岩溶地下河的溶解组分主要来源于碳酸盐岩的溶解,水化学类型为Ca-HCO₃型或Ca(Mg)-HCO₃型,但部分地下河水化学受到人类活动影响变为Na+Ca-HCO₃型、Na+Ca-SO₄型、Na+Ca-Cl型或Ca-SO₄+HCO₃型,且农业活动或城市废水对地下河水化学的影响比工矿业活动普遍。地下河水温度随海拔升高而逐渐降低。在相同的地质背景下,地下河Ca2+、Mg2+、HCO₃-等离子由于受不同区域岩溶作用强度差异的影响呈现出明显的区域性,SO₄2-、NO₃-、Cl-等指标由于受不同区域人类活动强度和方式的影响也显示出明显的区域性。总体来看,岩溶地下河水质正在恶化。     

中国岩溶碳汇通量估算与人工干预增汇途径

中国是岩溶大国,岩溶作用吸收土壤或大气CO2形成溶解无机碳,并随河流排向海洋,这是陆地碳循环的重要组成部分.中国地质调查局从2009年开始对岩溶碳汇进行探索性调查,基本查明了岩溶碳汇的作用机理、影响因素和计量方法.研究表明:碳酸盐岩溶蚀试片、径流-水化学和回归模型等方法均揭示了中国岩溶碳汇潜力巨大;植被恢复、土壤改良、...     

天津平原区浅层地下水水化学特征及碳酸盐风化碳汇研究

大气 CO₂浓度在控制全球气候变化方面具有至关重要的作用,研究碳循环、CO₂收支平衡和精确评估是制定区域CO₂减排策略和寻找新的碳汇途径最重要的组成部分。碳酸盐风化碳汇是全球碳循环研究的一个重要方向。为此,本研究以天津平原区浅层地下水为研究对象,通过对地下水调查及水样的采集与分析,运用水化学分析方法分析了地下水水化学特征,并估算了地下水总储存量、DIC储量和碳酸盐风化碳汇量。研究结果表明:浅层地下水化学场自北部山前平原向南部冲积平原和滨海平原,呈现出自北而南和由北西向南东的水平水化学分带规律,地下水由低浓度的淡水、微咸水变为高浓度咸水,沿此方向水化学类型由HCO₃-Ca·Na·Mg→Cl·SO₄-Na→Cl·HCO₃-Na→Cl-Na型转变;淡水区、微咸水区和咸水区面积分别为733、3 034和6 564 km²。地下水水化学组分中Ca²⁺、Mg²⁺和 {\mathrm{HCO}}_3^{-}主要来源于碳酸盐的溶解作用。研究区浅层地下水总储存量为2 241 640万m³,总DIC储量为8.13×10⁶ t,总碳汇量为4.11×10⁶ t。研究区浅层地下水淡水区、微咸水区和咸水区地下水储存量分别为157 799万、6 245 936万和1 459 247万 m³,DIC浓度分别为19200、19200和19342 mg/L,DIC储量分别为0.67×10⁶、1.65×10⁶和0.58×10⁶ t,碳汇量分别为0.22×10⁶、0.90×10⁶和2.98×10⁶ t。沿地下水流向,DIC、储量和碳汇量的空间分布均呈现出由低到高的趋势。