南海光合固碳与碳酸盐系统变化的关系：深化与集成

Ocean acidification (global) and seawater acidification (regional) alter seawater carbonate chemistry and change marine chemical environments. Studies show that such changes influence metabolisms of most marine organisms. In view of algal photosynthetic carbon fixation, some studies show the acidification stimulates, some show neutral effects, and some show it inhibits the process; the involved mechanisms are yet to be revealed. This proposed study aims to investigate relation of photosynthetic carbon fixation and primary production processes with changes in seawater carbonate chemistry, via different scales of experiments, that is, ship-board experiments, mesocosm (larger than 3 tons) tests and laboratory experiments. The experiments will focus on different regions, such as coastal waters (highly productive with large pH variations, such as day-night pH reversion) and pelagic ecosystems (usually without daily pH variation). While relation of seawater carbonate chemistry changes with photosynthetic performances are examined in different waters, CO2 perturbation will be carried out to look into the effects of ocean acidification forcing on the relationship; in parallel, physiological, biochemical and molecular approaches will be employed to investigate acclimation and adaptation mechanisms involved in different species or the species obtained from different waters. The implementation of this proposed research will enable us to reveal the mechanisms involved in so far reported contradictory results and further our prediction on the effects of ocean acidification on the photosynthetic carbon fixation in the South China Sea，which will raise our international influence in this research field.

海洋酸化（全球范围）与海水酸化（区域性的），改变海水的碳酸盐系统，引起化学环境的变化。研究显示，这种变化影响大多数海洋生物的代谢。有关藻类光合固碳量方面的研究结果，有显示酸化促进光合固碳的，有显示没有影响的，也有显示抑制的；潜在的影响机制尚不清楚。该申请项目拟深入探讨光合固碳及初级生产过程与碳酸盐系统变化的关系，将通过航次、海洋酸化效应中水量(mesocosm, 大于3吨)研究设施及实验室不同规模的实验，研究近海（单位水体生物生产力高，pH存在较大时空变化，如昼夜变动）与外海（通常不存在昼夜变化）等不同海域光合固碳与碳酸盐系统变化的关系，并揭示其在CO2浓度升高条件下的相互作用；从生理生化与分子水平上，阐明分布于不同水域的浮游藻类对酸化的响应与适应机制。该申请项目的实施，可阐析迄今对立性结果的内在原因，预测我国南海初级生产过程随海洋酸化的演变趋势，并提升我国在该研究领域的国际影响。

该项目，在不同实验规模水平上和多重环境变化条件下，探讨了藻类固碳、呼吸、钙化与硅化等过程与碳酸盐系统参数变化的关系，揭示了海洋酸化影响近海与大洋水域光合固碳的机制；研究了典型藻类种群对酸化的生物进化学响应。达到了预期创新目标。. 主要结果与意义如下： 1）通过不同规模实验的系统研究发现，海洋酸化上调浮游植物胞内脂肪酸β-氧化、柠檬酸循环、糖酵解等代谢途径，增加其苯酚类的含量，并使该物质在其捕食者体内富集。该结果显示，海洋酸化恶化浮游生物饵料品质，引发食物链效应（关系到水产品安全）。2）适应低pH/高CO2环境1000-1800代后，矿化藻类获得了生物进化学特征。模式硅藻类的细胞变小，光合与呼吸作用及生长速率下降；颗石藻类钙化速率与生长速率下降，颗粒无机碳（碳酸钙含量）下降，细胞颗粒无机碳与有机碳比值下降。3）CO2浓度升高促进近海硅藻类的碳同化速率，却抑制大洋硅藻类的固碳与生长。 另外，发现模式硅藻类，在高CO2浓度条件下，下调其[CO2]浓缩机制(CCMs),使其胞内CO2浓度比环境中的低3-4倍。4）航次研究发现，海洋酸化降低南海外海营养盐限制海域的光合固碳，而促进或不影响近海营养盐较高水域的初级生产力。该成果，为阐明CO2施肥效应与pH下降胁迫效应的对立性观点，提供了重要参数与认知。. 发表学术论文52篇（第一标注40篇，48篇英文论文累计影响因子>175），包括Nature Communications一篇，Global Change Biology 三篇。主编中文专著一部，联合主编英文专著一部，获得福建省自然科学奖一等奖。该项目研究成果，被包括英国皇家学会会士J. Raven、新西兰皇家学会院士P. Boyd、法国农业科学院院士C.Bowler等在内的国内外学者正面引用（他引265次）；并连续三年被联合国环境规划署（UNEP）年度报告（2015、2016、2017）采纳。