海洋是地球上最大的活躍碳庫(kù)，儲(chǔ)存了地球上93%的CO₂，是陸地碳庫(kù)的20倍、大氣碳庫(kù)的50倍。海洋每年吸收約30%的人類(lèi)活動(dòng)排放到大氣中的CO₂，并且海洋儲(chǔ)碳周期可達(dá)數(shù)千年，從而在氣候變化中發(fā)揮著不可替代的作用。因此，海洋負(fù)排放潛力巨大，是當(dāng)前緩解氣候變暖最具雙贏性、最符合成本-效益原則的途徑。

                                                                                                                              ——焦念志

藻類(lèi)及水生植物光合固碳一直是測(cè)量難點(diǎn)。為此，LI-COR公司潛心設(shè)計(jì)，于2020年11月推出藻類(lèi)及水生植物光合固碳測(cè)量室6800-18。

6800-18能同步測(cè)量CO₂同化速率和葉綠素?zé)晒鈪��?shù)。

6800-18的問(wèn)世，將進(jìn)一步拓展人們對(duì)于藻類(lèi)、水生植物固碳的認(rèn)知。
 

為了讓廣大研究者盡快熟悉這款新型測(cè)量?jī)x器，3月25日，LI-COR舉辦了全球線上講座，今天推送的是講座第一部分，LI-COR應(yīng)用科學(xué)家Jason Hupp介紹了6800-18的工作原理及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

藻類(lèi)光合作用測(cè)量新范式——原理、測(cè)量與數(shù)據(jù)解析

A Novel Approach to Measuring Carbon Assimilation and Chlorophyll a Fluorescence in Algal Suspensions
 

3月25日星期四
 

大家好，我是Jason Hupp。之前，沒(méi)有很好的方法來(lái)測(cè)量水生藻類(lèi)的光合作用。

6800-18以熒光測(cè)量室為光源，我們把熒光測(cè)量室的下半部分拆除，更換成適合盛放藻類(lèi)懸浮樣品的測(cè)量室。大家看到的粉色光，是來(lái)自于紅藍(lán)光的組合。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，還有一個(gè)光量子傳感器安裝在測(cè)量室側(cè)面，用于測(cè)量樣品的光能吸收。

由于時(shí)間的關(guān)系，今天的講座我們將重點(diǎn)討論藻類(lèi)光合碳同化測(cè)量。

我們使用一幅圖來(lái)展示6800-18的氣路。

氣流來(lái)源于LI-6800主機(jī)，氣流中的CO₂和H₂O濃度已經(jīng)做了控制。氣流會(huì)首先進(jìn)入水汽平衡器（Water Vapor Equilibrator），就是我們看到的白色部分。離開(kāi)水汽平衡器后，氣流一部分進(jìn)入?yún)⒈仁遥≧eference IRGA）進(jìn)行分析，另一部分在經(jīng)過(guò)混合風(fēng)扇后，進(jìn)入6800-18測(cè)量室。

氣流進(jìn)入后遇到藻類(lèi)懸浮液，會(huì)生成氣泡。氣泡在離開(kāi)藻類(lèi)懸浮液后，會(huì)再次進(jìn)入水汽平衡器。

水汽平衡器中部有一個(gè)選擇透過(guò)性膜，這個(gè)膜將水汽平衡器隔成了兩個(gè)空間。選擇透過(guò)性膜僅允許水汽通過(guò)，CO₂則不行。

水汽平衡器可給主機(jī)方向過(guò)來(lái)的氣體“加濕”，從而使參比腔室（Reference IRGA）和樣品腔室（Sample IRGA）氣體中的水汽濃度相差不大，目的是提高CO₂的測(cè)量精度。 

另外，6800-18測(cè)量室?guī)в衟H傳感器接口，用于監(jiān)測(cè)樣品溶液的酸堿程度。

我們進(jìn)行的是穩(wěn)態(tài)開(kāi)路式測(cè)量。

在這張幻燈片中，μi 是進(jìn)氣流速，Ci 是進(jìn)氣中的CO₂濃度，Wi 是進(jìn)氣中的水汽濃度。

μo 是出氣流速，Co 是出氣中的CO₂濃度，Wo 是出氣中的水汽濃度，fc 是CO₂的同化速率。

如果藻類(lèi)是健康的，它們會(huì)利用光能進(jìn)行碳同化。所以，當(dāng)你測(cè)量得到進(jìn)出測(cè)量室的這些參數(shù)后，就可以根據(jù)物質(zhì)守恒原則，計(jì)算藻類(lèi)的碳同化速率。

在實(shí)際計(jì)算時(shí)，我們會(huì)用幻燈片中下面的公式計(jì)算藻類(lèi)碳同化速率。由于水汽濃度比CO₂濃度高很多，因此會(huì)存在水汽的稀釋效應(yīng)，我們用（1-Wi）/（1-Wo）作為這種稀釋效應(yīng)的修正項(xiàng)。

fc 的單位可以是 mol s^-1，我們需要將其轉(zhuǎn)化為更有意義的單位，因此會(huì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化方式是核算成每個(gè)藻類(lèi)細(xì)胞、每克/微克葉綠素、每克/微克藻類(lèi)干物質(zhì)在單位時(shí)間的碳同化量。

我們要確保測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可信，就要確保氣體和藻類(lèi)懸浮液（氣-液相）的充分接觸、混合和平衡。

f 是氣體的通量，a 是氣-液接觸面的面積，kx 是液相或氣相中的傳輸系數(shù)，Pgas 和Pinterface分別是氣體在氣泡以及在氣-液相交換界面的分壓，Cinterface 和Cliquid 分別是氣-液交換界面的氣體濃度以及溶液中的氣體濃度。

我們能做的是控制氣-液接觸面積以及總傳輸系數(shù)，因此我們精心設(shè)計(jì)了氣-液接觸系統(tǒng)，盡可能增加氣-液的接觸面積。

溶液中會(huì)存在碳酸鹽幾種形態(tài)間的相互轉(zhuǎn)化。在偏酸性（pH~4）的條件下，溶液中以H₂CO3形態(tài)為主；在中性（pH~7.5）條件下，溶液中以HCO3^-為主；在堿性條件下，溶液中以CO3^2-為主。

我們想要做的是加快氣-液的平衡時(shí)間，在空白樣品中加入碳酸酐酶，大約是0.5mg，然后評(píng)估平衡時(shí)間的改善狀況。

幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)類(lèi)似，在沒(méi)有添加碳酸酐酶時(shí)，大約需要1000s以上（約16min）重新達(dá)到穩(wěn)定，而加入碳酸酐酶后，大約僅需400s（約7min）就重新達(dá)到了平衡。在平衡時(shí)，你能看到，F(xiàn)lux 接近于0。

不同流速控制條件下，碳同化速率的檢測(cè)下限存在差別。設(shè)置進(jìn)氣CO₂濃度為400ppm，黑點(diǎn)是進(jìn)氣中CO₂濃度，空心灰點(diǎn)是出氣中CO₂濃度，下圖是兩者的差值。可以看出，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，流速設(shè)置的越高，檢測(cè)下限的數(shù)值也越高。

另外，實(shí)際測(cè)量時(shí)，藻類(lèi)懸浮液配置的密度Density也需要考慮。

對(duì)熒光測(cè)量而言，低密度藻類(lèi)懸浮液會(huì)導(dǎo)致熒光信號(hào)的下降，另外，低密度藻類(lèi)懸浮液也會(huì)導(dǎo)致熒光信號(hào)波長(zhǎng)變短。

除了藻類(lèi)，6800-18也可用于水生植物葉片的測(cè)量。6800-18配備上水生葉片測(cè)量適配器，就可做此類(lèi)實(shí)驗(yàn)，如熒光-光響應(yīng)曲線。