Intermittent Hypoxia and Prolonged Suboxia Measured In situ in a Marine Sponge

在海洋海綿體內測量到的間歇性缺氧和長時間缺氧情況

來源：Front. Mar. Sci. 3:263

 

一、摘要概述

本論文摘要指出，高微生物豐度（HMA）海綿是一類濾食性海綿，其體內寄居大量共生微生物，這些微生物通過復雜的生物地球化學轉化驅動全生物（holobiont）的代謝。盡管海綿是好氧動物，但其體內存在亞氧和厭氧細菌，然而關于海綿體內化學環(huán)境（尤其是溶解氧動態(tài)）的自然狀態(tài)知之甚少。本研究通過現場微傳感器測量，首次發(fā)現HMA海綿Theonella swinhoei體內存在間歇性低氧和延長性亞氧條件。主動泵水的海綿表現出高氧去除率，并伴有短暫的極端吸氧事件（>90 μmol DO L?1），海綿體內始終維持亞氧狀態(tài)，且體內與流出水中的氧濃度無相關性。結果表明，海綿可能通過“養(yǎng)殖”細菌共生體獲取還原物質，并暗示全生物代謝存在高度局部化控制，為厭氧微生物提供了適宜的時序微環(huán)境。

二、研究目的

本研究的主要目的包括：

 

量化海綿Theonella swinhoei在自然棲息地中的氧動態(tài)（包括體內和流出水），填補海綿體內化學環(huán)境數據的空白。

驗證海綿體內是否存在臨時性厭氧條件，以支持其厭氧共生微生物的生存。

探討海綿如何通過調控泵水活動創(chuàng)造微環(huán)境，從而維持復雜微生物群落的功能。

 

評估氧動態(tài)與海綿代謝的關系，為理解HMA海綿在寡營養(yǎng)珊瑚礁生態(tài)系統中的適應策略提供基礎。

 

三、研究思路

研究采用現場原位測量與實驗室驗證相結合的多方法 approach：

 

樣本采集與處理：在以色列埃拉特珊瑚礁（15-17米深度）采集T. swinhoei海綿個體，連附底物轉移至現場珊瑚苗圃或實驗室水族箱，避免損傷并維持自然泵水活動。

微傳感器部署：使用丹麥Unisense水下計量系統（配備100μm尖端玻璃微電極）和FireSting O?光學位點傳感器，連續(xù)記錄海綿體內（穿刺深度8-10 mm）和流出水（通過出水口）的溶解氧（DO）濃度，采樣頻率達每秒一次，持續(xù)最長達48小時。

實驗設計：

 

泵水活動評估：通過熒光染料示蹤法定性和定量測量泵水速率（如染料前沿速度法），計算比泵水率。

環(huán)境參數控制：監(jiān)測環(huán)境水溫（22-24°C）、鹽度（40.5 PSU）和葉綠素濃度，確保實驗條件代表自然生境。

 

數據處理：使用R軟件進行統計分析，包括平滑處理（30秒移動平均）、自相關和滯后相關分析，以識別氧動態(tài)模式。

 

驗證與校準：所有傳感器定期交叉校準（使用空氣飽和水和氮氣 purge水），并通過ProODO儀器驗證數據準確性。

 

四、測量數據及研究意義

以下關鍵測量數據均來自文檔中圖表，以描述性列表說明其來源及研究意義（避免表格形式）：

 

泵水速率動態(tài)（來自Fig. 2）

 

數據：Fig. 2 顯示不同個體（T1-T3）的泵水速率范圍（0-11 cm3 s?1 mL?1），T1最活躍，T2b最弱；同一海綿不同出水口泵水率無相關性（如T2個體中一個出水口停泵而相鄰口活躍）。

 

研究意義：泵水率異質性表明海綿局部單元獨立運作，支持“微環(huán)境分區(qū)”假說；這種變異為時序性低氧事件提供機制基礎，解釋厭氧菌的共存。

 

流出水氧飽和度分布（來自Fig. 3）

 

數據：Fig. 3A-F 展示流出水DO飽和度的頻率分布，呈雙峰或三峰模式（如T1在40-60%和90-100%飽和度有峰值），T3甚至出現30-55%低氧主導狀態(tài)；短期DO飽和度可降至近0%（持續(xù)14分鐘）。

 

研究意義：氧去除率極高（達93 μmol L?1），遠超環(huán)境中有機物供應量，暗示海綿可能內源還原物質（如硫化物）氧化或共生菌捕食，凸顯HMA海綿代謝的高效性。

 

體內氧濃度時序變化（來自Fig. 4 和 Fig. 5）

 

 

數據：Fig. 4A-F 顯示海綿體內DO飽和度常低于75%，低氧（<30%飽和度）出現時間占14%；Fig. 5A-B 記錄T2b個體體內DO的節(jié)律性振蕩（周期約172分鐘），飽和度在6-84%間循環(huán)，波谷近缺氧。

 

研究意義：體內持續(xù)亞氧與短期缺氧事件證實時序微環(huán)境存在，為厭氧代謝（如反硝化）提供條件；振蕩模式提示宿主-共生體協同調控代謝節(jié)律，可能通過泵水“開關”機制實現。

 

氧通量計算（來自結果部分）

 

數據：基于DO差值計算，海綿平均氧去除率為53±51 μmol L?1，對應日泵水量150 L，消耗8 mmol DO day?1；高去除事件（>100 μmol L?1）可持續(xù)12小時。

 

研究意義：氧需求遠超環(huán)境輸入，支持“共生菌 farming”假說，即海綿周期性消耗菌群作為碳源；此發(fā)現重新定義HMA海綿在碳循環(huán)中的角色。

 

五、結論

本研究主要結論包括：

 

微環(huán)境存在性：海綿體內存在動態(tài)亞氧和間歇性缺氧微環(huán)境，DO濃度與流出水無相關性，表明局部代謝控制主導氧動態(tài)。

代謝高效性：極高氧去除率揭示海綿代謝依賴內源還原物質，可能通過捕食共生菌或利用代謝廢物（如氨、硫化物）實現能量補給。

生態(tài)意義：時序性缺氧支持厭氧共生菌功能（如氮循環(huán)），增強海綿在寡營養(yǎng)環(huán)境中的適應性；泵水單元獨立性為微生物多樣性提供生態(tài)位。

 

氣候響應啟示：當前氧動態(tài)已近代謝極限，未來海洋脫氧或酸化可能破壞微環(huán)境平衡，威脅海綿-微生物共生穩(wěn)定性。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

丹麥Unisense微電極系統在本研究中用于高分辨率原位測量溶解氧，其數據在揭示海綿生物地球化學過程中具有里程碑式意義：

1. 技術原理與創(chuàng)新性

 

原理：Unisense系統采用Clark型玻璃微電極（尖端100μm），通過安培法實時檢測DO濃度；系統集成水下計量單元，每秒采樣，結合三維打印微操縱器實現精準穿刺（體內8-10mm）。校準使用兩點法（空氣飽和 vs. 氮氣 purge），確保數據精度（誤差<5%）。

 

創(chuàng)新性：首次在海綿自然棲息地實現長期（至48小時）、連續(xù)原位DO監(jiān)測，克服傳統代謝艙的脅迫效應，提供真實時空動態(tài)數據。

 

2. 在微環(huán)境解析中的關鍵作用

 

缺氧事件捕獲：Unisense數據（如Fig. 5B）直接記錄T2b個體DO的節(jié)律振蕩（波谷飽和度5-7%），發(fā)現此前未知的代謝周期（~172分鐘），證實海綿體內存在“代謝鐘”，可能由共生菌群驅動。

 

空間異質性量化：體內與流出水DO無相關性（滯后相關系數<0.55），揭示微環(huán)境高度局部化，推翻均勻混合假設；此發(fā)現僅能通過高分辨率電極實現。

 

3. 對共生生態(tài)學的貢獻

 

厭氧菌生存證據：持續(xù)亞氧數據（體內DO常<75%飽和度）為厭氧菌（如反硝化菌）提供生存條件，支持基因組中厭氧基因的功能表達；短期缺氧事件（Fig. 4）解釋為何30%分離菌需厭氧培養(yǎng)。

 

宿主-共生體互作洞察：DO振蕩模式暗示泵水活動周期性“開關”，可能通過調控水流創(chuàng)造交替好氧/厭氧區(qū)，優(yōu)化養(yǎng)分循環(huán)（如碳氮耦合）。

 

4. 局限與前瞻應用

 

局限性：點測量可能低估整體異質性；電極穿刺或擾動局部化學梯度。

 

未來方向：Unisense技術可擴展至多參數（如H?S、pH），結合宏基因組學解析代謝通路；長期監(jiān)測有助于預測氣候變化下海綿群落韌性。

 

總之，Unisense電極通過毫米級精度數據，將海綿體內氧動態(tài)與微生物功能直接鏈接，其輸出不僅重新定義了HMA海綿的代謝策略，還為理解海洋共生系統的氣候響應設立了新基準。