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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

来源:北京力高泰科技有限公司 发布时间:2021-06-28 10:07:18 点击数:197 使用提问 咨询价格

海洋是地球上最大的活跃碳库,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最具双赢性、最符合成本-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举办了全球线上讲座,今天推送的是讲座第一部分,LI-COR应用科学家Jason Hupp介绍了6800-18的工作原理及实测数据。

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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。

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由于时间的关系,今天的讲座我们将重点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。

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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。


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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。

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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。


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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。


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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。

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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。

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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。

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