严壮1, 汪夏雨1, 李为1
, 余龙江1,2 1. 华中科技大学生命科学与技术学院, 生物技术系资源生物学与生物技术研究所, 湖北 武汉 430074;
2. 分子生物物理教育部重点实验室, 湖北 武汉 430074
收稿日期：2018-10-19；修回日期：2019-04-22；网络出版日期：2019-05-06
基金项目：国家自然科学基金（41572342）
作者简介：李为，博士，华中科技大学生命科学与技术学院副教授，中国地质学会岩溶地质专业委员会委员，自然资源部岩溶生态系统与石漠化治理重点实验室学术委员会委员。先后主持多项国家自然科学基金项目、中国地质调查局地质调查工作项目子课题，在微生物及碳酸酐酶的岩溶碳汇作用及其机制、微生物及碳酸酐酶的生物矿化作用及其机理等方面取得较系统的研究成果。已在Geoderma、Plant and Soil、Applied Soil Ecology、Bioresource Technology、Chemical Engineering Journal、Colloids and Surfaces B: Biointerfaces等学术期刊发表SCI论文10余篇，授权专利7项，获省科技进步一等奖1项，作为副主编出版生物技术与生物工程系列iCourse教材1部.
*通信作者：李为, Tel:+86-27-87792432, E-mail:hulwei_009@163.com.
摘要：微藻在水生生态系统的碳固定中扮演重要角色。本文综述了岩溶区水生生态系统生物碳泵的提出、岩溶区微藻生物碳泵作用、影响微藻固碳的主要环境因素以及岩溶区微藻固碳的研究进展，并提出了亟待解决的关键科学问题，为深入研究岩溶区水生生态系统微藻固碳能力及生物碳泵机制、科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力、丰富和完善岩溶碳循环理论提供参考。
关键词：岩溶区水生生态系统微藻固碳生物碳泵效应环境因素
Biological carbon pump effect of microalgae in aquatic ecosystems of karst areas
Zhuang Yan1, Xiayu Wang1, Wei Li1
, Longjiang Yu1,2 1. Institute of Resource Biology and Biotechnology, Department of Biotechnology, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China;
2. Key Laboratory of Molecular Biophysics, Ministry of Education, Wuhan 430074, Hubei Province, China
*Corresponding author: Li Wei, Tel:+86-27-87792432, E-mail:hulwei_009@163.com.
Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China (41572342)
Abstract: Microalgae play an important role in carbon sequestration in aquatic ecosystems. This review focuses on the proposal of biological carbon pump in aquatic ecosystems at karst areas, the role of microalgae biological carbon pump, the main environmental factors that affect microalgal carbon sequestration, and the research progress in carbon sequestration by microalgae in karst areas. By solving the key scientific problems to be put forward, we can provide the information of in-depth study on biological carbon pump mechanism by microalgae in karst aquatic ecosystems. Besides, the carbon sink potential of karst ecosystems will be scientifically understood and the karst carbon cycle theory also will be enriched.
Keywords: karst aquatic ecosystemmicroalgaecarbon sequestrationbiological carbon pump effectenvironmental factors
自18世纪中期工业革命以来，人类活动使得大气中温室气体尤其是CO2含量急剧上升，从1750年约280 μL/L升高到2017年约405 μL/L，导致全球变暖、海平面上升、极端天气频现等一系列全球气候变化问题，给各国经济带来了巨大的影响[1-3]。2016年签署的《巴黎气候变化协定》提出“把全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2 ℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5 ℃之内”，再次引起了研究者对全球碳循环的关注[4]。全球碳循环研究中一个重要问题是大气CO2的收支不平衡，即存在一个巨大的遗漏汇[5-6]。岩溶学家指出，碳酸盐岩的溶蚀会吸收大气CO2，这种岩溶作用所形成的大气CO2汇可能是遗漏汇的重要组成部分[7]，并认为岩溶区水生生态系统具有与海洋类似的“生物碳泵”效应，即在水循环的作用下，水生生物的光合作用与岩溶过程相耦合，将碳酸盐岩风化形成的溶解无机碳(dissolved inorganic carbon，DIC)转变为有机碳，从而形成相对稳定的碳汇[8]。深入开展相关研究将对科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力及其在全球碳循环中的地位具有重要意义。
微藻作为岩溶区水生生物的主要组成部分，在岩溶水生生态系统的碳吸收及碳沉降中发挥重要作用。微藻是指那些在显微镜下才能辨别其形态的微小的藻类类群，目前全球已知微藻类群约2万余种，占全部藻类的70%，其中大部分属于蓝藻门(Cyanophyta)、绿藻门(Chlorophyta)、金藻门(Chrysophyta)和红藻门(Rhodophyta)[9]。微藻具有生长速率快、光合效率高、环境适应性好等优点，广泛分布于河流、湖泊以及海洋中，其光合固碳效应为全球初级生产力作出了巨大的贡献，被认为是世界上最主要和最有效的固碳方式之一[10-11]。探究岩溶区水生微藻的碳泵效应将有助于深入研究岩溶区水生生态系统的生物碳泵机制。本文综述了岩溶区水生生态系统生物碳泵的提出、岩溶区微藻生物碳泵作用、影响微藻固碳的主要环境因素以及岩溶区微藻固碳的研究进展，并提出了亟待解决的关键科学问题，为深入研究岩溶区水生生态系统的生物碳泵机制、科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力、丰富和完善岩溶碳循环理论提供参考。
1 岩溶区水生生态系统生物碳泵的提出 生物泵(biological pump，BP)最早是由Volk和Hoffert提出的海洋碳循环机制之一[12]，也称为生物碳泵(biological carbon pump，BCP)，是指大气碳通过光合作用被转化为有机碳，然后经过食物网消费、传递等一系列生物过程最终沉降至海洋深层的过程[13]。
海洋生物碳泵理论同样适用于陆地生态系统[14]，对于具有特殊水文地质背景的岩溶生态系统可能尤为重要。刘再华等[8, 15]将海洋生物碳泵理论引入到岩溶系统碳循环研究中，综合考虑了岩溶作用、全球水循环和水生生物的光合作用，计算了全球水循环形成的碳汇约占陆地碳汇的25%，其中通过“生物碳泵”作用形成的碳汇量为0.233 Pg C/a，由此提出了考虑水-岩-气-生相互作用的碳酸盐岩风化碳汇模型，指出碳酸盐岩风化形成的DIC在汇入海洋的过程中会被陆地水生光合生物利用转化，最终形成有机碳埋藏，从而成为稳定的岩溶碳汇；在此基础上，提出了岩溶地表水生生态系统生物碳泵模型(图 1)，认为陆地生物碳泵效应是受到DIC浓度控制即DIC施肥效应的光合作用，生物量的累积过程和累积强度均受到DIC施肥效应的影响[16-17]。经过进一步研究，刘再华等[18]又提出偶联水生光合作用的岩溶风化固碳模型(图 2)，指出硅酸盐岩和碳酸盐岩流域中碳酸盐矿物溶解和DIC生成的快速动力学与碳酸盐岩风化所产生DIC的水生光合作用吸收相偶联(简称CCW，coupled carbonate weathering)，所产生的部分内源有机碳(autochthonous organic carbon，AOC)进一步埋藏而成为长期稳定的碳汇，而且，他们的估算表明CCW对大气CO2的吸收可能很大，并可能随着全球气候和土地利用的变化而增加。
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| 图 1 岩溶地表水生生态系统生物碳泵机制图 Figure 1 Schematic diagram of biological carbon pump in karst surface aquatic ecosystems. Modified from Ref. [16], CH2O refers to organic carbon transformed from dissolved inorganic carbon DIC1 through the biological carbon pump effect |
| 图选项 |
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| 图 2 偶联水生光合作用的岩溶风化固碳模型 Figure 2 A carbon sequestration model by carbonate mineral weathering coupled with aquatic photosynthesis. Modified from Ref. [18], DICtp: Carbon sink resulting from precipitation on the land; DICop: Carbon sink resulting from precipitation in the ocean; DICt: Carbonate mineral weathering carbon flux on the land; C(g)ta: Carbon source flux from waters on the land; DICr: DIC flux from rivers to the ocean; AOCr: AOC flux from rivers to the ocean; AOC(s)t: AOC sedimentary flux in surface water systems on land; AOC(s)o: AOC sedimentary flux in the ocean |
| 图选项 |
章程等[19]和张强等[20]采用碳同位素模型分别对桂林会仙岩溶湿地和贵州草海流域典型水生植物的固碳量进行了估算，发现岩溶作用每年所产生的DIC中约有一半被水生植物光合作用转化为有机碳固定下来。陈波等[21]和Liu等[17]分别通过对冬季和夏季茂兰拉桥表层岩溶泉及其中游和下游池水水化学的昼夜动态监测和δ13CDIC定期取样分析，分别结合采用水面静态箱CO2测定和浮动CO2通量监测室测定获得的岩溶水与空气CO2交换通量，估算了中游池和下游池固定下来的有机碳通量，均发现以沉水植物轮藻为主大量生长的中游池显著高于下游池。刘文等[22]对广西五里峡水库不同地点不同深度水体进行了现场监测及分析，认为热分层背景下浮游生物分布及其光合/呼吸作用过程、有机质分解对水体DIC含量及δ13CDIC变化影响显著。孙海龙等[23]对珠江流域水化学组成的时空变化进行了研究，发现西江流域中由水生光合生物对DIC利用形成的有机碳即内源有机碳形成的碳汇通量约占传统计算模式碳汇(DIC)通量的40%。上述研究表明岩溶区水生生态系统中存在由水生光合生物介导的类似于海洋的“生物碳泵”效应。微藻作为岩溶区生长较快的重要水生光合生物，深入研究岩溶区水生生态系统中微藻的“生物碳泵”效应及其机制对科学认识陆地碳循环尤其是岩溶地区碳循环机制具有重要意义。
2 岩溶区微藻生物碳泵作用 2.1 岩溶区水体特点及DIC来源 由于岩溶作用，岩溶区水体具有富钙偏碱的特性，pH通常偏碱性、富含Ca2+，DIC以HCO3–为主要形式，HCO3–浓度可达1–5 mmol/L[20]。
岩溶区流域水体中的DIC主要来源于岩石中碳酸盐矿物以及在硅酸盐基岩中所占比例极小的碳酸盐矿物的风化溶解[8, 15, 24-26]，以方解石的溶解为例，发生可逆反应[15, 25] (反应式1)。
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在一些微藻的CCM酶系统中，除了胞内CA外，还存在一种胞外CA，通常位于细胞壁、质膜或周质空间，能催化细胞表面与水界面上HCO3–的脱水反应，使其转变为CO2，供藻细胞吸收利用[29]。莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)作为1种模式生物已被大量研究，相关报道证明低浓度CO2促进其胞外CA(CAH1)基因的大量表达，进而引发一系列转录因子启动CCM中其他功能基因的表达[30-31]。其他微藻的胞外CA同样在低浓度CO2条件下表现出活性增加的现象，但具体的调控机制尚不清楚[32-33]。微藻的CCM使水体中的DIC得以充分利用，尤其是具有胞外CA的微藻，在HCO3–形式DIC的固定中发挥了重要作用。
岩溶作用使得岩溶区的水体环境富钙偏碱，CO2浓度低且富含HCO3–，可以推测，岩溶区水生生态系统中的微藻具有独特的群落结构及生长特征，且与CCM机制强弱紧密相关。目前，关于岩溶区藻类群落结构与多样性特征的研究已有部分报道[34-35]，不过，这些报道所用研究方法大多是基于传统的显微镜检与形态鉴定方法，存在准确性差、耗时费力及稀有种属被忽视的局限性。随着分子生物学及相关技术的发展，基于基因序列特征差异性的微藻群落鉴定也得到了普遍认可[36-37]，并被广泛应用于微藻生态学研究领域[38-39]。有关岩溶水生态环境对微藻的群落结构组成及多样性有何影响、对其CCM的调控机制如何等问题尚不清楚，需要进一步深入研究。
2.3 微藻的钙化作用 类似于海洋生态系统，陆地淡水生态系统中亦存在微藻的生物钙化作用，是水体沉积物形成以及碳循环的重要组成部分[40]，而且由于岩溶作用导致水体Ca2+浓度较高，钙化现象更为显著。目前已有****对影响岩溶区钙化作用的微藻进行了研究，如Liu等[41]以单生卵囊藻为对象进行了模拟实验研究，发现岩溶水中的钙沉积速率比非岩溶水要高，说明岩溶区水生微藻在利用HCO3–进行光合作用的同时，会使Ca2+大量沉积，用化学反应式表示如下：
Ca2++2HCO3–→CaCO3↓+CH2O(有机碳)+O2↑
总体而言表现为净碳汇效应[8]。而且，由于藻类表面沉积碳酸钙，会加速其沉降过程，进而加速有机碳的沉降，促进生物碳泵效应[42]。
2.4 微藻的沉降与POC降解 微藻在生长过程中会不断向环境中释放多种代谢产物，如糖类、氨基酸、脂类、有机酸、抑制和促进因子以及毒素等，这些物质统称为胞外产物(extracellular products，ECP)。ECP是水生生态系统中化学物质的重要来源，在水生生态系统的碳循环中起重要作用[43]。此外，微藻细胞死亡后的残体可以形成水体颗粒性有机碳(particulate organic carbon，POC)。POC在沉降过程中，一部分由于氧化作用转变为CO2返回大气，剩余的部分则以生物残体、粪球及各种有机物与无机碎片组成的有机聚合体的形式沉降至底部后被埋藏[44-45]。降解率和埋藏率随环境不同会有较大差异，在一些边缘海区如墨西哥西北边缘海区的陆架和陆坡处，由于初级生产力和沉积速率均很高，再加上海水深度较小，许多有机物未经充分降解就埋藏到沉积物中，有机碳的平均埋藏效率高达23.3%和38.2%[46]。目前有关岩溶区水生生态系统中有机碳埋藏方面的研究尚鲜见报道，深入研究岩溶区水生生态系统沉积物中有机碳的降解过程十分重要，对准确估算岩溶区水生生态系统净埋藏有机碳、进而估算岩溶碳汇潜力具有重要意义。
2.5 溶解有机碳(dissolved organic carbon，DOC)的去向与储碳 海洋生物泵向深海输出的POC十分有限，绝大多数POC在沉降过程中会被降解成CO2，最后到达海底埋葬的有机碳量大约只占海洋初级生产力的0.1%。但全球大洋深海中稳定存在着大约40 μmol/L的DOC，一般被认为是难以降解的惰性DOC (recalcitrant dissolved organic carbon，RDOC)，是海洋中的一个巨大碳库[47-48]。焦念志等[49]在提出的海洋“微型生物碳泵(microbial carbon pump，MCP)”理论中解释了RDOC的成因，认为DOC会被浮游动物、细菌及古菌等微型生物利用，其中一部分会转变为RDOC，能长期储存于海洋中不参与大气CO2循环，达到海洋储碳的效果，并指出MCP不依赖于沉降过程，而是依赖于微型生物的生态过程。同时，美国****指出，MCP原理也适用于陆地土壤和其他环境的储碳[14, 50]。因此，尽管陆地水生生态系统中大量的DOC会流向海洋[51]，但若其中一部分在进入海洋之前通过MCP形成了RDOC，难以分解利用，亦可被看作是陆地水生生态系统中的“储碳”。
MCP运行的关键在于微型生物对DOC的转化，包括细菌和古菌的吸收利用、病毒裂解作用以及原生动物捕食等[52]，在岩溶区水生生态系统中也存在类似的过程。李强等[53]以广西柳江梯级筑坝河流为研究区采集不同层位水样，通过室内培养实验，结果显示岩溶水体中可以存在约24.63 μmol/L且难以被微生物利用的RDOC。然而，有关岩溶水体中RDOC形成的机制尚有待深入研究。
3 影响微藻固碳的主要环境因素 3.1 无机碳的影响 从光合作用的化学反应式来看，增加无机碳相当于增加了反应底物，有利于提高微藻光合固碳的效率。在自然条件下，水体中的无机碳有4种存在形式，即CO2、H2CO3、HCO3–和CO32–，水体pH值的变化影响其比例[54]。CO2和HCO3–是微藻所利用的无机碳的主要形式，因此环境中游离CO2浓度与HCO3–浓度对微藻的固碳作用影响较大。王玮蔚等[55]采用生化参数与基因表达量作为相关指标，研究了CO2、HCO3–两种无机碳对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长的影响，结果显示在中低盐度条件下，2倍空气的CO2浓度及高HCO3–浓度是蛋白核小球藻的最适生长条件。Pierangelini等[56]通过鼓气的方法控制拟柱胞藻(Cylindrospermopsis raciborskii)培养过程中的CO2浓度，并对其生长、光合作用及CCM进行了研究，结果显示高CO2浓度使其生长速率和光合速率明显增加，但是CCM受到抑制，无机碳亲和力呈下降趋势。
3.2 光照的影响 光照是微藻生长与代谢的必需条件之一，为光合作用和其他一系列光诱导生理反应提供了驱动力[57]，但过高的光照强度会产生光抑制现象，使光反应速率降低[58]。Wang等[59]对雨生红球藻(Haematococcus pluvialis)的研究表明，高光照条件导致了光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心D1蛋白、锰稳定蛋白PsbO和几种主要膜脂的减少，影响了其生长与代谢。聂磊等[60]对广东英德岩溶区2种光照生境下的石生蓝藻进行了研究，结果显示阴生生境下生长的石生蓝藻，其光合放氧速率、叶绿体光化学活性、CA活性等明显高于阳生生境下生长的蓝藻。此外，Yang等[57]指出光谱分布(波长)对微藻的光合作用同样至关重要，并以1种淡水微藻(Ettlia oleoabundans)为对象进行了研究，结果显示红光对其生长与油脂产量有显著影响。
3.3 pH的影响 pH是微藻生长过程中的1个重要指标，pH的不同导致水体中各种化合物组分的差异，从而对微藻吸收利用无机碳及营养元素产生影响。不同微藻对水体pH的适应性不同，对于大多数微藻来说，最适合生长的条件是中性或弱碱性。同时，微藻的生长与代谢亦会改变环境中的pH，因而关注环境中pH的变化对微藻生长及固碳十分重要。目前有关pH对微藻生长与固碳的研究已有众多报道，如莱茵衣藻在中性环境中的生长速率最高；斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)则更适合于pH=10的碱性环境[61]；蛋白核小球藻在pH为6.7–7.0时光合效率最高[62]。Qiu等[63]在500 mL培养体系中研究了pH对小球藻(Chlorella sorokiniana DOE1412)细胞生长和油脂生产的影响，结果显示pH约6.0时达到最高。
3.4 温度的影响 温度作为影响微藻光合作用和固碳效率的重要因素[11]，选择合适的温度条件培养微藻，有助于获得更高的生长速率[64]。有研究表明，将螺旋藻(Spirulina)的培养温度从25 ℃增加至40 ℃时，其碳水化合物含量增加了近50%[65]。Sung等[66]研究了小球藻Chlorella sp. KR-1培养过程中的调控因素，发现温度在40 ℃时，其生长速率有所下降。Maeda等[67]筛选出的小球藻Chlorella sp. T-l能耐受高温，35 ℃时其生长速率最高，但45 ℃条件下仍能保持稳定的固碳作用。
3.5 氮和磷的影响 氮和磷是影响微藻生长的重要营养元素，培养液中氮的缺失会造成微藻生物量受限，磷的缺失会使光合作用受到抑制，从而影响微藻的生长[68]。在水生生态系统中，氮磷比通常作为关键因子被用于预测藻细胞生物量的季节性变化[69]。武汉市东湖的富营养化造成水体总氮、总磷过量，对湖中藻类的种类、数量及分布造成较大影响[70]，但两者之中哪一种是藻类生长的限制因子，目前并没有定论。大量研究表明，地中海初级生产力的主要限制因子可能是磷[71-72]，而南太平洋则可能是氮限制[73]。Wang等[74]对长江流域40多个湖泊浮游藻类的研究表明，水体总磷含量对浮游微藻生长的影响要远大于总氮含量。
3.6 盐度的影响 水体盐度是微藻生存的限制因子之一，对维持藻细胞渗透压、提供所必需的营养以及维持生理代谢具有重要作用。微藻对盐度有一定的适应范围和耐受极限[75]。徐宁等[76]以锥状斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)为研究对象，发现该藻的最适盐度为25，此时细胞浓度和比生长速率均达到最大，当盐度继续升高时，则会抑制其生长。李文权等[77]通过14C同位素示踪法研究盐度对聚生角毛藻(Chaetoceros socialis)光合速率的影响时发现，当水体中盐度低于26时，聚生角毛藻的光合速率随盐度升高而升高，当水体中盐度高于26时，光合速率随盐度升高而降低。Beardall等[78]研究表明盐度会影响蓝藻CO2的同化，如铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)在盐度高于2时其生长和碳同化受到显著抑制。
3.7 微量元素的影响 微藻生长所必需的微量元素虽然不多，但这些微量元素对微藻生长和代谢过程均具有重要作用，通常主要作为一些反应酶的辅助因子参与到诸多生化反应过程中，从而影响微藻的光合作用及其细胞增殖。微量元素如铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、镍(Ni)以及稀土元素如镧(La)、铈(Ce)等均表现出低质量浓度促进微藻生长、高质量浓度抑制微藻生长的现象[79]。
铁作为微藻生长发育所必需的矿质营养元素之一，在微藻光合作用、呼吸作用、固氮作用、蛋白质与核酸合成等生理代谢过程中发挥极为重要的作用。Martin等[80-82]通过中尺度原位铁富集实验及微宇宙实验研究，发现在高营养盐、低叶绿素海区，微量元素铁是限制海洋微藻初级生产力的主要因子，铁的供应增加可提高微藻的光合速率。Lin等[83]的研究发现，铁浓度过高或过低都会一定程度限制栅藻(Scenedesmus rubescens)的氮吸收。锌是微藻光合作用和代谢相关酶类如CA、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶等的组成成分[84]。胡晗华等[85]研究了低中高3种浓度下赤潮藻微小原甲藻(Prorocentrum minimum)的生长和生理响应，发现低锌浓度(1.4 pmol/L)对赤潮藻微小原甲藻的生长和光合作用均有限制作用，低锌浓度下生长的微小原甲藻需在更高的光照强度下光合作用才能达到饱和。
4 岩溶区微藻固碳的研究进展 岩溶区特殊的富钙偏碱的水化学条件使岩溶区水生微藻的生长及固碳能力有别于非岩溶区。Wu等[86]研究了3个岩溶湖泊即阿哈湖、百花湖和红枫湖中微藻的物种组成、净光合速率和胞外CA活性，发现湖泊中微藻CA活性与藻体密度呈正相关，具有胞外CA的微藻影响藻类的生产力，表明在中国岩溶湖泊中，胞外CA对限制微藻光合作用的CO2的有效利用具有促进作用。Liu等[41]的研究显示，在实验室封闭系统中，以岩溶水培养单生卵囊藻(Oocystis solitaria Wittr)时，其吸收利用DIC的能力更高，是非岩溶水培养时的4.6倍，其促进Ca2+沉积的能力也高于非岩溶水环境。王培等[87]从岩溶区寨底地下河出口筛选出小球藻(Chlorella)，将其与非岩溶区小球藻置于实验室封闭系统中，均以岩溶水进行培养，比较了这两种小球藻对岩溶水中Ca2+和HCO3–的利用率，结果显示岩溶水中约40%的HCO3–能被岩溶区小球藻吸收利用并转化为有机碳，而非岩溶区小球藻则只有约30%的利用率，表明岩溶区小球藻较非岩溶区小球藻的碳汇能力更大；随后，王培等[88]又以筛选自寨底地下河出口的念珠藻(Nostoc sp.)作为研究对象，以岩溶水进行室内培养，结果显示念珠藻的光合作用将岩溶水中65%的HCO3–转化为稳定化合物，其中18.46%以胞外CaCO3形式被沉淀，81.54%被微藻转化为有机物。Wang等[89]的室内模拟实验结果表明，岩溶区小球藻(Chlorella vulgaris)能在不同程度上利用岩溶水中的HCO3–并转化为有机物，而且岩溶水对微藻的生长具有明显的促进作用，表现出施肥效应。Li等[90]以贵州西南岩溶区的红枫湖为例，采用双向同位素标记法研究了CA对微藻的HCO3–和CO2利用途径的影响，发现胞外CA能增加微藻对大气中无机碳的利用，具有胞外CA的微藻在该岩溶区具有较强的固碳能力。Xie等[42]构建了1个存在不同pH梯度的微藻生物岩溶模拟系统，运用双向同位素标记法和质量守恒方程对其中的方解石溶解、CaCO3再沉积及无机碳同化3个关键过程进行了定量监测，结果显示当pH值从7增加至9时，虽然微藻光合固碳量增加，但其中方解石溶解、CaCO3再沉积以及来源于方解石溶解的无机碳同化均呈现降低的趋势，说明微藻生物岩溶系统中存在1个特定的pH值，使得整个系统的CO2封存总量最小。
我们设计了独特的野外微宇宙水箱实验装置，在自然岩溶水体中开展微藻培养实验，通过添加筛选自岩溶区水体的微藻，人为扰动自然条件下的岩溶水体环境以形成具有不同微藻多样性及CA活性的岩溶水体环境，研究了典型岩溶区自然条件下水生生态系统中微藻及其胞外CA作用下无机碳转化为相对稳定有机碳的能力即稳碳能力，发现胞外CA活性高的微藻群落表现出较强的稳碳能力。
5 结语和展望 已有科学家在岩溶区水生微藻固碳方面开展了相关研究，并认为岩溶区水生生态系统中的微藻在岩溶碳循环中表现为净碳汇效应，为科学认识岩溶生态系统的碳汇潜力奠定了一定基础。目前有关岩溶区水生微藻固碳方面的研究一般是基于室内模拟实验研究，需要加强自然岩溶条件下水生生态系统中微藻生物碳泵效应及过程机制方面的研究，一些关键科学问题尚有待于深入研究，例如，微藻将无机碳转化为相对稳定有机碳即稳碳的实际能力究竟有多大?微藻沉降下来的有机碳有多少可转化为难降解的惰性有机碳？微藻种群组成及多样性的影响及其机制如何？另一方面，精确估算岩溶区水生生态系统中微藻生物碳泵效应的碳汇量、其受气候和土地利用方式的影响以及微藻生物碳泵效应对岩溶水环境的影响和水质净化的作用等一系列问题亦有待于进一步探索。
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