第一章验证了碱度对共生虫黄藻的影响：实验中团块滨珊瑚的光合作用效率随着碱度增加而提高，并对如何利用碱度及其局限性进行了探讨。

第二章我们将揭示水流运动速度对虫黄藻光合作用的影响以及碱度在其中所起到的作用。为了准备2016北美水族大会上的演示报告，我做了几个实验，本文的结论就是来自于此。本文将展示第二个实验的结果，由于大会演示报告时间所限，在这篇文章里我将展示更多的实验细节。具体而言，就是在不同的碱性浓度下观察比较两种水流速度对光合作用的影响。

这次试验中用到的珊瑚：团块滨珊瑚（Porites lobata)▼

实验通过石属团块滨珊瑚肉层组织中的虫黄藻，揭示在水流速度以及碱度影响下的光合作用效率变化。此外，还将简要讨论一下营养盐（氨和硝酸盐）对珊瑚的光合作用和生长可能带来的影响。

动量附面层（MBL）：指流水中物体表面一层薄薄的滞水层，所以MBL的厚度与水的流速成反比。

▼图中左边水流（黄色箭头）变大后原本珊瑚体内及周围MBL（蓝色区域）明显变薄。

无机碳：有多种形式的无机碳源，包括二氧化碳,碳酸,碳酸氢盐和碳酸盐。二氧化碳和碳酸氢盐似乎是虫黄藻偏好的无机碳源（取决于虫黄藻的类型或者属系分支）。

碱度：即中和酸的能力，主要以CaCO3（即CO32-）浓度作为体现形式，其单位有meq/L, ppm, mg/L。而海水中则以中HCO3-浓度为主，单位为dKH。

mg/L：毫克每升,大致相当于ppm浓度单位(ppm)。

光合作用：无机碳转换成单糖(有机碳)。二氧化碳或碳酸氢盐可以作为无机碳的来源。光合作用的副产品是新生的氧气。

光合电子转移速率：Electron Transport Rate (简称ETR)，也视为光合作用速率。当光子被光色素（叶绿素和其他辅助色素）吸收后成为电子并在光合体系中发生转移。故形成的电子越多移动越快那么光合作用速率也越高！而以非光性产生的电子称为类光合电子的转移速率称为rETR.光合作用分为第一阶段和第二阶段，分别对应光反应和暗反应，光反应中存在ETR，暗反应存在rETR，所以一般实验中只要测得rETR就不需要再测ETR，但是两者都是光合作用强度检测的两个指标。

光饱和点：达到光饱和点后，提高光照的水平将不能再提升光效率。

在38升的水族箱中加入氢氧化铵，在几个星期内硝化作用将碱度降到了极低，各类氮化物的测量通过DR800色度计（美国科罗拉多州拉夫兰市哈希公司产）和该公司的氨、亚硝酸盐和硝酸盐试剂(水杨酸法、重氮化作用法,镉还原法，其中硝酸盐参数用氯离子进行修正）。一旦完全硝化,一半的水将被转移到一个19升的水族箱，水族箱里放有塑料网格架，然后将团块滨珊瑚的断肢放在架子上。光源是BuildMyLED公司（美国得克萨斯州奥斯汀市）生产的LED灯具，光照通过Li-Cor光量计和放在水中的LI-192 2 传感器（美国内布拉斯加州林肯市Li-Cor生物科技公司）测量，并保持在100微摩尔/平方米/秒（约5000lux）的亚饱和亮度水平。利用一个TUNZE6040可调速造浪泵，调节出两种水流速度（约5和10厘米/秒）。

一个带光纤探头的脉冲幅度调制荧光计用来测量珊瑚的虫黄藻在快速水流、低速水流和低碱度度、天然海水碱度、稍高碱度和高碱度等情况下的相对光合作用效率（以及非光性电子速率rETR），Walz PAM荧光计的照片。

PAM荧光计是评估叶绿素荧光量来估算光合作用效率，叶绿素荧光与光合作用相互争夺光子，换句话说就是叶绿素荧光强时光合作用效率就弱，光合作用效率强时叶绿素荧光就弱。通过无光或很低光环境刺激虫黄藻为获得更多光子将自身所有光合体（有些只是光合色素）打开，此时荧光计测得最低荧光。再通过高光脉冲达到光照饱和使光合体关闭，测得最高荧光，并计算出光合产能。如果我们测量出光照强度，然后乘以光合产能就计算出了光合作用第一阶段和第二阶段中rETR，该值越高则光合作用效率也越高。想测到准确的相对电子传递率，必须遵循一定的操作规程。在这个实验中，虫黄藻必须至少在低光环境中适应20分钟才能让光合体全部打开。然后荧光计的光纤探头必须以近60度角放置在贴近珊瑚表面大约1cm的位置。一切到位后，高光脉冲达到光照饱和使光合体关闭（即荧光最大化）。实验目标是检测水流和碱度影响，所以光强作为恒量不做调节，而水流速度（或碱度）增加后至少应当让珊瑚适应20分钟。

▲图3：实验中使用的电子水流速度计lo-Mate 2000

调整提高碱性浓度使用的是市面能买到的缓冲剂，碱度用色度计测量，然后用市面能买到的标准滴定液从PH值为4.2时开始滴定复检。

图4表明，水流可以影响光合作用的效率。此外，当我们综合水流速度实验和碱度实验的结果时，呈现出一些有趣的趋势。

图4：两种水流速度和三种碱度条件下的光合作用率

纵向坐标：光合速率 横向坐标：碱度

蓝色曲线：高速水流 红色曲线：低速水流

这些实验结果让我们观察到了水流速度、碱度和光照对珊瑚光合作用的影响。在碱度较低的情况下，水流速度影响的差别不大。在高碱性浓度条件下，增加水流速度的影响比较明显。见图4低速水流情况下的平缓趋势线。表1列出了不同水速度和碱性浓度下的光合作用率(rETRs)。

▲表1：三种碱度(54、114、215mg/L)下水流速度增加所提升的光合作用率（以最右列百分比表示）

▲图5：虫黄藻光合作用率随水流速度增加而提高，这次实验也说明低碱度环境对光合作用效率提升有所抑制

很明显，水流速度对光合作用有正面影响，碱度也是如此。所以我们还需回答一个问题----到底那个因素对光合作用效率影响最大呢？为了量化效率提升的程度，我们对实验数据包进行了分析。水流运动的效果很明显受到碱度的影响，当53毫克/升时候，水流运动对光合作用的提升仅为5.8%。在天然碱度(114 毫克/升)环境，水流速度时从5厘米/秒到10厘米/秒，光合作用效率几乎提升了一倍。当碱度增加到毫克/升，增加水流速度导致光合作用效率跳跃性增长近30%！

有意思的是低速水流情况下的扁平化趋势线，这可能是由于无机碳扩散在通过较厚的动量附面层时达到了最大值。这两个实验（水流速度和碱度实验）的结果表明，水流运动的效果会被周围环境的碱度因素所影响。

如果我们综合水流运动和碱度的影响，光合作用的效率提升了近60%！要知道在实验中所使用的水流速度（约5和10厘米/秒）远低于在自然界礁岩（夏威夷岛）测到的水流速度。即使是在风平浪静的日子里，15-20厘米/秒的水流速度也是常态，从观察角度，那就是260~725米/小时的水流速度。在风暴或者有大浪的情况下，水流速度肯定以英尺每秒计，即便是下水也非常危险。

Jokiel et al（1995）发现珊瑚组织中吸收紫外线辐射的化合物MAAs的浓度会随着水流速度增加而增加（MAAs，即mycosporine-like amino acids，类菌孢素氨基酸，存在于许多生物体内,对紫外辐射(UVR)有较高的吸收能力,被认为有保护细胞、减少UVR损伤的功能)。由于MAAs不是由珊瑚产生而是由共生的虫黄藻通过“莽草酸途径”生成（莽草酸途径是存在于植物、真菌和微生物中的一条重要的代谢途径），所以这种化合物浓度的增加也许是来源于虫黄藻共生体的产物（尽管也有可能是珊瑚捕食到含有MAAs的藻类或者类似与真菌细菌等“悬浮物”）。

※前文提到，过高碱度会导致珊瑚“烧头”。另一方面，长时间低速水流下是否有可能造成动量附面层变厚以至于碱度（光合作用的无机碳源）出现梯度渐变，从而降低了光合作用的效率避免烧头？而且导致了氧气、单糖、氨基酸和其他食物的产出较低？珊瑚和虫黄藻在夜间或者在被遮蔽的区域（此时光合作用效率根本无法满足虫黄藻共生体和珊瑚宿主的呼吸需求）依赖于水流中传输的溶氧。虫黄藻会将食物输送给其珊瑚宿主，但在营养失调的被遮蔽区域，有没有可能最终导致珊瑚处于饥饿状态？使其软组织被作为营养物质而消耗？这些推论当然有道理！

在这些实验中,硝化作用过程被用来自然降低碱度。以硝酸盐的氮含量计，结果是24毫克/升（以硝酸根含量计，则超过100mg/升）。在2016圣地亚哥北美水族大会做完演讲报告后，水族馆管理人员Justin Hester问我硝酸盐是如何影响光合作用效率，当时我并没有答案，所以我做了些研究，而这就是我所发现的。

Ferrier-Pagés et al.（2001）发现：添加硝酸盐并提高铁离子浓度可以让Stylophora pistillata（萼柱珊瑚）的光合作用效率在三个星期内下降了34%，而体内共生藻密度却增加了。在此之前，Atkinso和Bingman(1999)在各种人工海盐测试中就发现较高铁离子含量，Marubini和Davies (1996)发现高浓度硝酸盐导致加勒比Porites porites和Montastrea annularis石珊瑚的钙化率下降了50%之多。然而，泰勒(1978)发现硝酸盐添加物并不能促进大西洋Acropora cervicornis石珊瑚的光合作用、虫黄藻代谢产出和钙化率。

1978年泰勒论文却有这样陈述：氨能提升虫黄藻共生体的光合作用、光合产物的排泄，并促进骨骼生成。

这些实验结果表面，我们不能对氨和硝酸盐的影响一概而论。这就引出了一个有趣的问题——不同种系或者分支的虫黄藻会有氮源（氨或者硝酸盐）的偏好么？水生植物会显示出对氮源（在氨、硝酸盐、亚硝酸盐之间）的偏好各有不同，由此我们推测不同类型的虫黄藻会对氮源有不同的偏好。这种可能性值得进一步探索。就此而言，通过我的这个实验不可能知道硝酸盐浓度如何影响光合作用效率。

我们可以推测，珊瑚生长减缓是由于藻类因光合作用需要而争夺无机碳源，导致用于珊瑚骨骼生成的碳源变少。这就引起了我们对库源关系的研究，这需要专门文章探讨。

通过实验来研究高营养盐的影响自然简单，但是进而验证提高碱度或水流速度是否能抵消高营养盐的影响就非常有意义。也可以通过光照，测定光合作用的饱和点，并通过水流/或碱度尝试将其提高。如果是这样的话，那么我们对光照在珊瑚生长中扮演的角色意义理解就会大不相同！

1.在碱度较低时(<8dKH)，增强水流对珊瑚光合作用效果甚微。

2.在碱性较高时(10~12dKH)，增加水流对珊瑚光合作用非常明显。

3.珊瑚缸碱度不要超过14dKH，避免珊瑚“烧头”。

论文原作：Dana Riddle，翻译编辑：小郭海水

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