海洋是地球上最大的活躍碳庫，儲存了地球上93%的CO2，是陸地碳庫的20倍、大氣碳庫的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，并且海洋儲碳周期可達數千年，從而在氣候變化中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。因此，海洋負排放潛力巨大，是當前緩解氣候變暖最具雙贏(yíng)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量難點(diǎn)。為此，LI-COR公司潛心設計，于2020年11月推出藻類(lèi)及水生植物光合固碳測量室6800-18。
6800-18能同步測量CO2同化速率和葉綠素熒光參數。
6800-18的問(wèn)世，將進(jìn)一步拓展人們對于藻類(lèi)、水生植物固碳的認知。
為了讓廣大研究者盡快熟悉這款新型測量?jì)x器，3月25日，LI-COR舉辦了全球線(xiàn)上講座，今天推送的是講座第一部分，LI-COR應用科學(xué)家Jason Hupp介紹了6800-18的工作原理及實(shí)測數據。
藻類(lèi)光合作用測量新范式——原理、測量與數據解析
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)測量水生藻類(lèi)的光合作用。
6800-18以熒光測量室為光源，我們把熒光測量室的下半部分拆除，更換成適合盛放藻類(lèi)懸浮樣品的測量室。大家看到的粉色光，是來(lái)自于紅藍光的組合。在實(shí)際測量時(shí)，還有一個(gè)光量子傳感器安裝在測量室側面，用于測量樣品的光能吸收。
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，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)入參比室（Reference 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的測量精度。
另外，6800-18測量室帶有pH傳感器接口，用于監測樣品溶液的酸堿程度。
我們進(jìn)行的是穩態(tài)開(kāi)路式測量。
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，當你測量得到進(jìn)出測量室的這些參數后，就可以根據物質(zhì)守恒原則，計算藻類(lèi)的碳同化速率。
在實(shí)際計算時(shí)，我們會(huì )用幻燈片中下面的公式計算藻類(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，我們用（1-Wi）/（1-Wo）作為這種稀釋效應的修正項。
fc 的單位可以是 mol s-1，我們需要將其轉化為更有意義的單位，因此會(huì )進(jìn)行標準化處理。常見(jiàn)的標準化方式是核算成每個(gè)藻類(lèi)細胞、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。
我們要確保測量數據真實(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，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，因此我們精心設計了氣-液接觸系統，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CO32-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，然后評估平衡時(shí)間的改善狀況。
幾個(gè)實(shí)驗的數據類(lèi)似，在沒(méi)有添加碳酸酐酶時(shí)，大約需要1000s以上（約16min）重新達到穩定，而加入碳酸酐酶后，大約僅需400s（約7min）就重新達到了平衡。在平衡時(shí)，你能看到，Flux 接近于0。
不同流速控制條件下，碳同化速率的檢測下限存在差別。設置進(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?？梢钥闯?，在實(shí)際測量時(shí)，流速設置的越高，檢測下限的數值也越高。
另外，實(shí)際測量時(shí)，藻類(lèi)懸浮液配置的密度Density也需要考慮。
對熒光測量而言，低密度藻類(lèi)懸浮液會(huì )導致熒光信號的下降，另外，低密度藻類(lèi)懸浮液也會(huì )導致熒光信號波長(cháng)變短。
除了藻類(lèi)，6800-18也可用于水生植物葉片的測量。6800-18配備上水生葉片測量適配器，就可做此類(lèi)實(shí)驗，如熒光-光響應曲線(xiàn)。
