6800-18助力碳中和研究 | 藻类和水生植物光合固碳测量室的工作原理

海洋是地球上ZD的活跃碳库，储存了地球上93%的CO₂，是陆地碳库的20倍、大气碳库的50倍。海洋每年吸收约30%的人类活动排放到大气中的CO₂，并且海洋储碳周期可达数千年，从而在气候变化中发挥着不可替代的作用。因此，海洋负排放潜力巨大，是当前缓解气候变暖ZJ双赢性、符合成本-效益原则的途径。

                                                                                                                              ——焦念志

藻类及水生植物光合固碳一直是测量难点。为此，LI-COR公司潜心设计，于2020年11月推出藻类及水生植物光合固碳测量室6800-18。

6800-18能同步测量CO₂同化速率和叶绿素荧光参数。

6800-18的问世，将进一步拓展人们对于藻类、水生植物固碳的认知。

为了让广大研究者尽快熟悉这款新型测量仪器，3月25日，LI-COR举办了quan球线上讲座，今天推送的是讲座DY部分，LI-COR应用科学家Jason Hupp介绍了6800-18的工作原理及实测数据。

藻类光合作用测量新范式——原理、测量与数据解析

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，没有很好的方法来测量水生藻类的光合作用。

6800-18以荧光测量室为光源，我们把荧光测量室的下半部分拆除，更换成适合盛放藻类悬浮样品的测量室。大家看到的粉色光，是来自于红蓝光的组合。在实际测量时，还有一个光量子传感器安装在测量室侧面，用于测量样品的光能吸收。

由于时间的关系，今天的讲座我们将ZD讨论藻类光合碳同化测量。

我们使用一幅图来展示6800-18的气路。

气流来源于LI-6800主机，气流中的CO₂和H2O浓度已经做了控制。气流会首先进入水汽平衡器（Water Vapor Equilibrator），就是我们看到的白色部分。离开水汽平衡器后，气流一部分进入参比室（Reference IRGA）进行分析，另一部分在经过混合风扇后，进入6800-18测量室。

气流进入后遇到藻类悬浮液，会生成气泡。气泡在离开藻类悬浮液后，会再次进入水汽平衡器。

水汽平衡器中部有一个选择透过性膜，这个膜将水汽平衡器隔成了两个空间。选择透过性膜仅允许水汽通过，CO₂则不行。

水汽平衡器可给主机方向过来的气体“加湿”，从而使参比腔室（Reference IRGA）和样品腔室（Sample IRGA）气体中的水汽浓度相差不大，目的是提高CO₂的测量精度。 

另外，6800-18测量室带有pH传感器接口，用于监测样品溶液的酸碱程度。

我们进行的是稳态开路式测量。

在这张幻灯片中，μi 是进气流速，Ci 是进气中的CO₂浓度，Wi 是进气中的水汽浓度。

μo 是出气流速，Co 是出气中的CO₂浓度，Wo 是出气中的水汽浓度，fc 是CO₂的同化速率。

如果藻类是健康的，它们会利用光能进行碳同化。所以，当你测量得到进出测量室的这些参数后，就可以根据物质守恒原则，计算藻类的碳同化速率。

在实际计算时，我们会用幻灯片中下面的公式计算藻类碳同化速率。由于水汽浓度比CO₂浓度高很多，因此会存在水汽的稀释效应，我们用（1-Wi）/（1-Wo）作为这种稀释效应的修正项。

fc 的单位可以是 mol s-1，我们需要将其转化为更有意义的单位，因此会进行标准化处理。常见的标准化方式是核算成每个藻类细胞、每克/微克叶绿素、每克/微克藻类干物质在单位时间的碳同化量。

我们要确保测量数据真实可信，就要确保气体和藻类悬浮液（气-液相）的充分接触、混合和平衡。

f 是气体的通量，a 是气-液接触面的面积，kx 是液相或气相中的传输系数，Pgas 和Pinterface分别是气体在气泡以及在气-液相交换界面的分压，Cinterface 和Cliquid 分别是气-液交换界面的气体浓度以及溶液中的气体浓度。

我们能做的是控制气-液接触面积以及总传输系数，因此我们精心设计了气-液接触系统，尽可能增加气-液的接触面积。

溶液中会存在碳酸盐几种形态间的相互转化。在偏酸性（pH~4）的条件下，溶液中以H2CO3形态为主；在中性（pH~7.5）条件下，溶液中以HCO3-为主；在碱性条件下，溶液中以CO32-为主。

我们想要做的是加快气-液的平衡时间，在空白样品中加入碳酸酐酶，大约是0.5mg，然后评估平衡时间的改善状况。

几个实验的数据类似，在没有添加碳酸酐酶时，大约需要1000s以上（约16min）重新达到稳定，而加入碳酸酐酶后，大约仅需400s（约7min）就重新达到了平衡。在平衡时，你能看到，Flux 接近于0。

不同流速控制条件下，碳同化速率的检测下限存在差别。设置进气CO₂浓度为400ppm，黑点是进气中CO₂浓度，空心灰点是出气中CO₂浓度，下图是两者的差值。可以看出，在实际测量时，流速设置的越高，检测下限的数值也越高。

另外，实际测量时，藻类悬浮液配置的密度Density也需要考虑。

对荧光测量而言，低密度藻类悬浮液会导致荧光信号的下降，另外，低密度藻类悬浮液也会导致荧光信号波长变短。

除了藻类，6800-18也可用于水生植物叶片的测量。6800-18配备上水生叶片测量适配器，就可做此类实验，如荧光-光响应曲线。