颗石藻中光合作用和钙化作用偶联机制探究.doc

颗石藻中光合作用和钙化作用偶联机制探究颗石藻(coccolithophores) 又称钙板金藻、园石藻,属于定鞭藻门颗石藻纲钙质鞭毛藻科,是一种金褐色光自养藻类。它是一种单细胞真核藻,其特殊之处在于细胞内存在一种颗石体的结构，颗石体中能形成完整的颗石片，然后分泌到细胞外，在胞外形成数层颗石片层，构成海洋生物钙化作用的主体.在所有钙化生物中，浮游钙化生物占全球生物钙化生产力的80 以上,颗石藻类是构成浮游钙化生物的主体。颗石藻除了通过生物泵过程对海洋生态系统碳循环起重要作用外，还通过碳酸盐反向(carbonatecounter pump)过程影响海水中碳酸盐和CO2 体系，对全球CO2 循环产生重要影响，从而影响全球气温变化，并且其丰度或生物量巨大，因此颗石藻是很重要的一个浮游植物类群。颗石藻和其他浮游植物一样可以通过光合作用将CO2转化为有机碳，用方程式表示：CO2+H2O=H20 +02。这是对CO2的一个吸收过程；另外，颗石藻由于能沉积CaCO3， 因此具有独特的碳酸盐反向泵功能，这一过程与初级生产过程刚好相反，通过钙化作用(calcification)将海水中碳酸氢根转化为CO2，用方程式表示：ca +2HCO3-=CaCO3+H20 +CO2，这是对CO2的一个释放过程。这两个相反的过程可以决定颗石藻对海洋表层CO2是“源”(source)或“汇”(sink)。颗石藻在进行碳酸盐反向泵的作用时，是其它非钙化藻CO2的“源”。进行光和作用时，吸收CO2，并且颗石藻细胞表面因沉降CaCO3，加快沉降速率，这种“压载”效应会增强生物泵过程，使颗石藻成为CO2的“汇”。颗石藻对海区中CO2的贡献是“源”还是“汇”，由颗石藻生长过程涉及的光合作用和钙化作用相互协同而完成的。这其中包括藻体光合作用和钙化作用的相互影响机制问题。颗石藻在光反应阶段与其它浮游植物类似，但在暗反应固定CO2时有较大不同。一般海水中的CO2浓度低于Rubisco酶的需求，浮游植物通过一种碳浓缩机制（CCMs）来浓缩胞内HCO3-和CO2浓度，以进行C的固定。但颗石藻内CCMs的效率不高，达不到Rubisco酶的要求，而钙化过程恰好放出CO2。一般认为钙化过程(Ca+2HCO3-=CaCO3+CO2+H2O ，CO2+H2O=HCO3-H )，产生的H 运输到叶绿体中，促使HCO3-向CO2转化，钙化作用可以向光合作用提供必需的CO2和H(质子泵)。光合作用产生的能量可以驱动HCO3-和钙离子的吸收，促进钙化作用。但有研究发现，采用阴离子交换载体抑制剂DIDS和SITS抑制颗石藻的钙化作用，其光合作用并不受影响。很多实验也指出，钙化作用既不能有效地提高光合作用效率也不能有效提高CO2 浓度。但是颗石藻的光合作用和钙化作用相耦合却可以通过调节海区颗石藻的生物泵和碳酸盐反向泵过程对海区P(CO2 )通量造成很大影响。因此研究颗石藻光合作用和钙化作用的相互影响机制非常重要，是阐释钙化藻类响应大气CO2浓度升高及海水酸化机制的关键。实验设计：1. 单细胞培养取颗石藻进行培养株化，使之处于二倍体的无性世代(此时，细胞可进行钙化作用)。经单细胞分离纯化,保种于恒温光照培养箱中。培养液稀释至实验所需浓度,煮沸消毒备用。藻种接种后,培养在3L 锥形瓶中,培养基取2L 。实验期间每天摇动锥形瓶两次。培养温度为18 1 ,光照为室内的自然光加日光灯,并保持在约800lux ,光暗周期为18L6D。2.预实验进行2组实验，其中Ca2+浓度保持相同且适宜。一组培养液中加足量HCO3-，处于微量CO2环境中，观察颗石片层生成及有机物生成情况。二组中培养液中不加HCO3-，向培养液中充入足量CO2，观察颗石片层生成及有机物生成情况，每组中平行3次。若颗石片层及有机物都可以生成，进行下步实验，反之，调整实验方法。3.探究光合作用和钙化作用的偶联机制。（1）HCO3-浓度（mmol/l）CO2浓度（%）025100abc5defg10hijk15lmno设计正交试验，先进行a,d,o的实验，设计4组实验。Ca2+，光照，磷浓度等无关因素保持一致且均利于藻体生长，藻体重量和钙化情况类似，并做好记录。a中HCO3-用C14标记，d中CO2用C14标记，o设计两组实验，分别用C14标记HCO3-和CO2。第3,7,10天分别测定计算藻体增加的干重和湿重，以及钙化片层增加的重量（计算时注意C12和C14区别开），做好记录。并探测各组中C14的去向。每组平行3次。根据前4组实验结果，可适当调整其余组实验数据，但方法类似，每组实验中均保持HCO3-和CO2中有且只有一种有C14标记。记录数据并分析。每组平行3次。（2）每组实验后，再用阴离子交换载体抑制剂DIDS和SITS处理，再做同样观察记录。4.制成表格，结果分析。大气CO2浓度升高导致海水酸化的同时也改变着海水溶解无机碳的浓度与比例，直接或间接地影响钙化藻类的光合作用与钙化过程。研究好钙化藻类的光合作用与钙化过程对于研究钙化藻类响应大气CO2浓度变化及海水变酸机制，和对全球碳，钙的循环具有重要意义。并且由于球石粒体积小,结构复杂,比表面积非常大,容易与人体中的生物活性物质结合,提高人体的吸收利用率 ,可作为一种安全的新