圖1 6800-18懸浮藻類測(cè)量室

懸浮藻類光合作用的準(zhǔn)確測(cè)量一直是藻類生理研究中的重要挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)方法通常采用氧電極技術(shù)，通過監(jiān)測(cè)懸浮培養(yǎng)液中氧氣濃度的變化來表征藻類光合活性。然而，氧電極測(cè)量反映的是體系中的凈氧交換過程，其結(jié)果不僅受到光合作用和呼吸作用共同影響，還會(huì)受到液相氧傳遞、氧溶解特性以及氣液交換過程的影響。因此，在精確解析藻類CO?同化速率及其環(huán)境響應(yīng)機(jī)制時(shí)，仍需要更加直接和全面的測(cè)量方法。

針對(duì)這一難題，LI-COR推出了6800-18懸浮藻類測(cè)量室（圖1）。該系統(tǒng)采用開路差分式氣體交換測(cè)量技術(shù)，在CO?濃度、光照和溫度等環(huán)境條件精準(zhǔn)控制的情況下，直接測(cè)量懸浮藻類的CO?同化速率。同時(shí)結(jié)合脈沖幅度調(diào)制（PAM）葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)氣體交換與光合電子傳遞過程的同步監(jiān)測(cè)。

這一創(chuàng)新方法突破了傳統(tǒng)懸浮藻類測(cè)量方式，為藻類及其他水生光合生物研究提供了一種更加準(zhǔn)確、全面的新技術(shù)方案。

6800-18 開啟藻類光合作用精準(zhǔn)解析新范式

6800-18采用穩(wěn)態(tài)開路式氣體交換測(cè)量原理。

實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量進(jìn)入和離開測(cè)量室氣流中的CO?濃度，并結(jié)合氣體流速計(jì)算懸浮藻類的CO?吸收速率（圖2）。

圖2 開路差分式測(cè)量原理示意

根據(jù)不同研究需求，測(cè)得的CO?同化速率可以進(jìn)一步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，例如：

• 按藻細(xì)胞數(shù)量表示：

  µmol CO? cell?1 s?1

• 按藻類干質(zhì)量表示：

  µmol CO? mg?1 s?1

• 按葉綠素含量表示：

  µmol CO? µg?1 s?1

這種測(cè)量方式能夠直接反映藻類實(shí)際碳同化能力，為比較不同藻種、生長(zhǎng)狀態(tài)及環(huán)境響應(yīng)提供可靠數(shù)據(jù)。

由于懸浮藻類樣品以液體形式存在，實(shí)驗(yàn)過程中容易發(fā)生水汽蒸發(fā)。

大量水汽進(jìn)入出氣氣流后，會(huì)對(duì)CO?濃度產(chǎn)生明顯稀釋效應(yīng)，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

針對(duì)這一問題，LI-COR開發(fā)了專門的水汽控制技術(shù)，有效降低水汽逃逸對(duì)氣體交換測(cè)量的影響，使CO?交換數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。

在懸浮藻類體系中，CO?需要經(jīng)歷氣相—液相傳遞過程才能被藻細(xì)胞利用。如果CO?傳遞速度成為限制因素，測(cè)得的CO?通量就無法真實(shí)反映藻類自身的同化能力。

6800-18通過精確控制實(shí)驗(yàn)體系，確保CO?傳質(zhì)過程不成為限制因素，使測(cè)得的CO?通量更加接近樣品真實(shí)光合能力。

此外，在實(shí)驗(yàn)體系中加入碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA），促進(jìn)CO?快速水合，并加速CO?與碳酸氫根（HCO??）之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換過程（圖3），進(jìn)一步提升CO?供應(yīng)效率。

圖3 精確控制的CO?氣液快速平衡體系

為了獲得可靠的光合響應(yīng)數(shù)據(jù)，6800-18提供了多維度環(huán)境控制能力：

精準(zhǔn)CO?控制

通過CO?注入系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)過程中可保持測(cè)量室內(nèi)CO?濃度穩(wěn)定。

精準(zhǔn)光照調(diào)節(jié)

搭配6800-01A熒光測(cè)量室，可實(shí)現(xiàn)藍(lán)光、紅光不同光質(zhì)組合，為研究不同光環(huán)境下藻類響應(yīng)提供條件。

精準(zhǔn)溫度控制

通過外部循環(huán)水浴系統(tǒng)，可在0–50℃范圍內(nèi)精準(zhǔn)控制測(cè)量室溫度。

圖4 CO?濃度控制400 µmol mol?1，溫度保持25℃

除了CO?同化速率，6800-18還能夠同步獲取多種葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括：

• 實(shí)際光化學(xué)量子效率 ΦPSII

• 電子傳遞速率 ETR

• 非光化學(xué)淬滅 NPQ

• PSII反應(yīng)中心電子受體側(cè)開放比例 1-qL

通過聯(lián)合分析氣體交換和熒光數(shù)據(jù)，可以更加深入地解析藻類光能吸收、電子傳遞以及碳固定過程之間的關(guān)系。

圖5 氣體交換與葉綠素?zé)晒鈪?shù)同步測(cè)量

1. 光響應(yīng)曲線測(cè)量

研究對(duì)象：小球藻（Chlorella）

實(shí)驗(yàn)條件

• 氧氣濃度：正常空氣條件：21% O?

  低氧條件：0.5% O?

• CO?濃度：400 µmol mol?1

• 溫度：25℃

• 培養(yǎng)基鹽度：17 ppt

低氧空氣由含0.5%氧氣的外部氣瓶提供，循環(huán)水浴系統(tǒng)維持測(cè)量室溫度穩(wěn)定。

圖6 光響應(yīng)曲線。實(shí)心圓：0.5% O?條件；空心圓：21% O?條件

2. 熒光-光響應(yīng)曲線分析

隨著光強(qiáng)逐漸降低，小球藻的碳同化相對(duì)效率提高，表現(xiàn)為實(shí)際光化學(xué)量子效率ΦPSII增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，高氧（21% O?）和低氧（0.5% O?）條件下，ΦPSII變化趨勢(shì)基本一致，兩種條件之間差異較小。

然而，由于低氧條件能夠抑制光呼吸過程，降低RuBisCO酶催化RuBP氧化反應(yīng)，使PSII電子受體側(cè)關(guān)閉程度增加。

這一變化可通過葉綠素?zé)晒鈪?shù)1-qL進(jìn)行表征。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與21% O?條件相比，0.5% O?條件下1-qL整體更高。

圖7 熒光-光響應(yīng)曲線。圓形：ΦPSII；三角形：1-qL；實(shí)心：0.5% O?；空心：21% O?

3. CO?響應(yīng)曲線分析

實(shí)驗(yàn)條件

• O?濃度：21%

• 光強(qiáng)：700 μmol m?2 s?1

• CO?濃度：由注入系統(tǒng)控制

• 溫度：25℃

• 緩沖體系：TRIS緩沖液，pH=7.0

隨著CO?濃度降低，藻類CO?同化速率逐漸下降。

與此同時(shí)：

• ΦPSII逐漸降低；

• NPQ逐漸升高；

• 1-qL逐漸增加。

  
  

圖8 CO?限制下小球藻光化學(xué)效率下降與光保護(hù)機(jī)制增強(qiáng)

這表明隨著CO?供應(yīng)減少，光合系統(tǒng)逐漸由碳固定限制轉(zhuǎn)向能量耗散增強(qiáng)狀態(tài)（圖8）。

6800-18懸浮藻類測(cè)量室將氣體交換技術(shù)與葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)結(jié)合，在精準(zhǔn)環(huán)境控制條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)藻類碳固定過程和光能利用過程的同步解析。

無論是在藻類培養(yǎng)優(yōu)化、生物能源研究，還是水生生態(tài)系統(tǒng)光合機(jī)制研究中，6800-18都提供了一種更加全面、高精度的測(cè)量方案。