水圈碳循环原驱动力——水体初级生产力的原位无损分析方法的建立与应用

Primary production is the synthesis of organic compounds from atmospheric or aqueous carbon dioxide. It principally occurs through the process of photosynthesis, which uses light as its source of energy. Thus, photosynthesis is considered the drive force of biosphere carbon cycle, while the microalgal photosynthesis, i.e. the water primary production is the driving force of hydrosphere carbon cycle, and makes photosynthetic electron transport the ultimate driving force for micro-carbon-cycle in microalgae. Numerous attempts have been made to estimate the primary production in natural water during the past century, however, all exiting methods were established decades ago and failed to meet the current demand for non-invasive in-situ analysis of water primary productivity. We have previously developed a simplified, rapid, and inexpensive estimation of water primary productivity based on chlorophyll fluorescence parameter Fo. In the proposed project, the fast chlorophyll fluorescence induction dynamics, i.e. the OJIP induction, and the fluorescence excitation spectrum scan techniques will be further applied to establish fast, precise, highly sensitive, non-invasive in-situ analysis methods for water primary productivity analysis. By using the developed new methods, the temporal and spatial distribution of primary productivity of typical water systems will be mapped, thus to elucidate its contribution to hydrosphere carbon cycle.

光合作用是地球碳循环的驱动力，藻类尤其是微藻的光合作用（水体初级生产力）是水圈碳元素由无机到有机的必由之路，是水圈碳循环的最重要的驱动力，而光合电子传递则是微藻体内碳元素微循环的原始驱动力。目前的水体初级生产力分析方法陈旧，不能满足水圈碳循环研究对原位、高灵敏度测定新技术的需求。本项目针对重大研究计划重点资助的水圈碳循环微生物驱动机制和水圈微生物研究新技术方法，在前期大量荧光分析技术和初级生产力研究方法创新的基础上，通过建立水样微藻叶绿素荧光OJIP和荧光光谱与光合色素和光合电子传递活性的函数关系，进一步倒推建立水体初级生产力分析方法模型并进行验证，从而为水圈碳循环的光合驱动力研究提供一条简单、快速、精确、高灵敏度的非损伤、非标记原位分析新技术方法；进而利用该方法分析典型水体初级生产力的时空分布特性，阐明对水圈碳元素循环的贡献和生态意义。

水体初级生产力是整个水圈生态系统食物和氧气的根本来源，是水圈碳元素由无机到有机的必由之路，是水圈碳循环的原动力。然而，国内外对于水体初级生产力的测定和估算方法存在费时、费力、灵敏度低、依赖于特殊仪器设备、间接测定且需在实验室进行等问题。本项目针对重大研究计划重点资助的水圈碳循环微生物驱动机制和水圈微生物研究新技术方法的指南，旨在建立一种简单、快速、精确、高灵敏度的非损伤原位测定水体初级生产力的方法，为水圈碳循环研究提供重要技术手段，进而应用相关技术，分析典型水体不同季节的初级生产力，探讨其时空分布特性，阐明对水圈碳元素循环的贡献和生态意义。. 项目首先以纯培养的代表性微藻为实验材料，分别测定其在不同生长时期、不同细胞密度、不同胁迫条件下细胞密度和叶绿素含量以及对应的荧光参数（Fo、OJIP曲线积分面积、激发光谱曲线积分面积），建立各荧光参数与叶绿素含量之间的函数关系，并通过垂向归纳模型计算初级生产力；其次分别在不同地域（江苏盐城、湖北武汉、河南开封）、不同环境（海水养殖水体、水华内陆湖泊、淡水养殖水体、引黄渠）下采集水样并进行实地测定，对建立的模型进行检测和修正，并进一步分析了典型水体不同季节的初级生产力，总结了其时空分布特性。根据上述数学模型和实践检测的反馈，成功研制了一台便携式“水体初级生产力分析仪”，并进行了迭代更新，灵敏度达到0.5 μg/L 叶绿素，通过了专家技术验收。. 本项目建立的方法、研制的设备为水圈碳循环研究提供了重要技术手段，并可进一步拓展应用到黄河流域干流与城市湖库的元素、生物与信息交互研究中以及应用于我国南水北调水质调查与监测中。