岩溶区自然条件下水生微藻稳碳的碳酸酐酶效应及影响因素研究

The correct understanding of karst carbon sink potential is one of the important scientific propositions. Studies have found that biological carbonic anhydrase (CA) can accelerate karstification, and that the photosynthesis of aquatic microalgae can fix soluble inorganic carbon (DIC) in karst waters. However, how much carbon sequestration capacity of DIC transforming into organic carbon under the action of aquatic microalgae and its extracellular CA at natural conditions needs in-depth studies. This project intends to carry out the field water tank experiments in karst natural waters, exemplified by the Lijiang River and the Huixian karst wetland in Guilin, in order to study and estimate the DIC sequestration intensity under the action of aquatic microalgae and its extracellular CA in different seasons at the karst natural conditions. The relationship among microalgae diversity, CA activity in karst waters, extracellular CA activity of microalgae and the DIC sequestration intensity of microalgae will be ascertained. The changes in various environmental parameters in the field cultivation systems will be monitored. The influence of main environmental factors, which regulate the growth of aquatic microalgae and the extracellular CA activity of microalgae, on the DIC sequestration intensity of microalgae in karst waters will be investigated and clarified. Combined with the results of the indoor simulation evidence experiments, the DIC sequestration capacity under the action of aquatic microalgae and its extracellular CA at natural conditions in typical karst area will be assessed, and the actual contribution ability of aquatic microalgae and its extracellular CA to the karst carbon sinks under natural conditions will be revealed. The research results in this project will provide new evidences for the scientific understanding of the carbon sink potential in the karst ecosystems.

正确认识岩溶碳汇潜力是当前重要科学命题之一。已有研究发现生物碳酸酐酶（CA）可加速岩溶作用，且水生微藻的光合作用可固定岩溶水体中的溶解性无机碳（DIC），但在自然条件下水生微藻及其胞外CA作用下DIC转化为有机碳的稳碳能力究竟有多少尚需深入研究。本项目拟以桂林漓江和会仙岩溶湿地为例，在岩溶天然水域开展野外水箱培养实验，研究并估算岩溶自然条件下不同季节水生微藻及其胞外CA作用下的稳碳强度，探明岩溶水体中微藻多样性与水体CA活性、微藻胞外CA活性及微藻稳碳强度的关系，监测野外培养体系中各种环境参数的变化，研究并弄清调控水生微藻生长及胞外CA活性变化的主要环境因素对岩溶水体微藻稳碳强度的影响，结合室内模拟佐证实验结果，评估典型岩溶区自然条件下水生微藻及其胞外CA作用下的稳碳能力，揭示自然条件下水生微藻及其胞外CA对岩溶碳汇的实际贡献能力，为科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力提供新证据。

陆地碳汇的去向是全球气候变化研究中的一个重要问题，岩溶区碳酸盐岩风化及水生生物光合固碳偶联形成的净碳汇被认为是其中的重要组成部分。以往研究虽已证明生物碳酸酐酶（CA）可加速岩溶作用，且水生微藻的光合作用可固定岩溶水体中的溶解性无机碳（DIC），但在自然条件下水生微藻及其胞外CA作用下DIC转化为有机碳的稳碳能力尚不明确。为此，本项目设计了独特的野外原位微宇宙水箱微藻培养实验装置，在典型岩溶区自然水体中开展了野外原位微宇宙微藻培养实验，结合室内微宇宙模拟佐证实验，研究岩溶区自然条件下水生微藻及其胞外CA作用下的稳碳能力，探究水生微藻及CA对岩溶区水生生态系统固碳增汇的实际贡献，探明主要环境影响因素。本项目的主要研究结果如下：（1）揭示了自然条件下典型岩溶区水生微藻及CA对岩溶碳汇的实际贡献，以会仙岩溶湿地水生生态系统为例，估算了微藻每年转化无机碳为相对稳定的平均有机碳量，发现微藻在胞外CA作用下具有相当可观的稳碳能力。（2）弄清了富钙偏碱岩溶水环境对微藻群落的影响，发现在HCO3-和Ca2+含量较高的水体中真核微藻占主导，而在HCO3-和Ca2+含量较低的水体中，蓝藻则是主要的微藻。（3）会仙岩溶小流域水体优势微藻中小球藻属（Chlorella）的相对丰度与水体CA活性呈极显著正相关，可能对微藻群落胞外CA活性及稳碳能力起主导作用。（4）不同组成的微藻群落具有不同的稳碳能力，胞外CA活性较高的微藻群落表现出较强的稳碳能力。（5）在较高浓度HCO3-以及较高光照条件下，微藻培养过程会形成更多的难降解有机质，具有更强的稳碳能力。（6）影响微藻稳碳能力的主要环境因素为水体CA活性、光照、温度、HCO3-浓度、总磷和总氮。.本项目研究结果为丰富水-岩-气-生相互作用的碳酸盐岩风化碳汇模型提供了新证据，拓展了我们对受环境和人类活动影响的岩溶区微藻生物碳泵效应及岩溶碳汇稳定性的认识，为科学认识全球岩溶生态系统的碳汇潜力、应对全球气候变化提供了科学依据。.