6800-18助力碳中和研究 | 藻類和水生植物光合固碳測量室的工作原理

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%的人類活動排放到大氣中的CO₂，并且海洋儲碳周期可達數(shù)千年，從而在氣候變化中發(fā)揮著不可替代的作用。因此，海洋負排放潛力巨大，是當前緩解氣候變暖最具雙贏性、最符合成本-效益原則的途徑。

                                                                                                                              ——焦念志

藻類及水生植物光合固碳一直是測量難點。為此，LI-COR公司潛心設(shè)計，于2020年11月推出藻類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(shù)。

6800-18的問世，將進一步拓展人們對于藻類、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儀器，3月25日，LI-COR舉辦了全球線上講座，今天推送的是講座第一部分，LI-COR應(yīng)用科學家Jason Hupp介紹了6800-18的工作原理及實測數(shù)據(jù)。

藻類光合作用測量新范式——原理、測量與數(shù)據(jù)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，沒有很好的方法來測量水生藻類的光合作用。

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懸浮樣品的測量室。大家看到的粉色光，是來自于紅藍光的組合。在實際測量時，還有一個光量子傳感器安裝在測量室側(cè)面，用于測量樣品的光能吸收。

由于時間的關(guān)系，今天的講座我們將重點討論藻類光合碳同化測量。

我們使用一幅圖來展示6800-18的氣路。

氣流來源于LI-6800主機，氣流中的CO₂和H₂O濃度已經(jīng)做了控制。氣流會首先進入水汽平衡器（Water Vapor Equilibrator），就是我們看到的白色部分。離開水汽平衡器后，氣流一部分進入?yún)⒈仁遥≧eference IRGA）進行分析，另一部分在經(jīng)過混合風扇后，進入6800-18測量室。

氣流進入后遇到藻類懸浮液，會生成氣泡。氣泡在離開藻類懸浮液后，會再次進入水汽平衡器。

水汽平衡器中部有一個選擇透過性膜，這個膜將水汽平衡器隔成了兩個空間。選擇透過性膜僅允許水汽通過，CO₂則不行。

水汽平衡器可給主機方向過來的氣體“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?guī)в衟H傳感器接口，用于監(jiān)測樣品溶液的酸堿程度。

我們進行的是穩(wěn)態(tài)開路式測量。

在這張幻燈片中，μi 是進氣流速，Ci 是進氣中的CO₂濃度，Wi 是進氣中的水汽濃度。

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。

如果藻類是健康的，它們會利用光能進行碳同化。所以，當你測量得到進出測量室的這些參數(shù)后，就可以根據(jù)物質(zhì)守恒原則，計算藻類的碳同化速率。

在實際計算時，我們會用幻燈片中下面的公式計算藻類碳同化速率。由于水汽濃度比CO₂濃度高很多，因此會存在水汽的稀釋效應(yīng)，我們用（1-Wi）/（1-Wo）作為這種稀釋效應(yīng)的修正項。

fc 的單位可以是 mol s^-1，我們需要將其轉(zhuǎn)化為更有意義的單位，因此會進行標準化處理。常見的標準化方式是核算成每個藻類細胞、每克/微克葉綠素、每克/微克藻類干物質(zhì)在單位時間的碳同化量。

我們要確保測量數(shù)據(jù)真實可信，就要確保氣體和藻類懸浮液（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(shù)，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(shù)，因此我們精心設(shè)計了氣-液接觸系統(tǒng)，盡可能增加氣-液的接觸面積。

溶液中會存在碳酸鹽幾種形態(tài)間的相互轉(zhuǎn)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CO3^2-為主。

我們想要做的是加快氣-液的平衡時間，在空白樣品中加入碳酸酐酶，大約是0.5mg，然后評估平衡時間的改善狀況。

幾個實驗的數(shù)據(jù)類似，在沒有添加碳酸酐酶時，大約需要1000s以上（約16min）重新達到穩(wěn)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，你能看到，F(xiàn)lux 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(shè)置進氣CO₂濃度為400ppm，黑點是進氣中CO₂濃度，空心灰點是出氣中CO₂濃度，下圖是兩者的差值?？梢钥闯觯趯嶋H測量時，流速設(shè)置的越高，檢測下限的數(shù)值也越高。

另外，實際測量時，藻類懸浮液配置的密度Density也需要考慮。

對熒光測量而言，低密度藻類懸浮液會導致熒光信號的下降，另外，低密度藻類懸浮液也會導致熒光信號波長變短。

除了藻類，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，就可做此類實驗，如熒光-光響應(yīng)曲線。