氢气，从医学农学到生态学！
评估应激拮抗剂对自然热暴露后珊瑚恢复的促进作用
摘要
造礁珊瑚（硬珊瑚）对热应激高度敏感，常导致白化和死亡，因此找到缓解应激、促进恢复的方法至关重要。2023年红海中部发生热应激事件后，我们通过短期实验，评估了四种潜在应激拮抗剂（氢气、磷酸盐、铵盐和益生菌）对广泛分布的造礁珊瑚——鹿角珊瑚属（*Acropora* spp.）和焦黄滨珊瑚（*Pocillopora favosa*）的作用。珊瑚分别接受四种拮抗剂处理及对照组处理，时长48小时，期间监测其存活率、颜色及光合效率。结果显示：氢气使鹿角珊瑚属的存活率提高25%，使焦黄滨珊瑚的存活率提高40%；磷酸盐和铵盐均使两种珊瑚的存活率提高40%，同时还提升了焦黄滨珊瑚的光合效率与颜色饱和度；益生菌使鹿角珊瑚属的存活率提高20%，使焦黄滨珊瑚的存活率提高40%，且对两种珊瑚的光合效率均有改善；添加磷酸盐和铵盐后，鹿角珊瑚属的存活率达到100%。这些研究结果表明，上述所有应激拮抗剂均具有辅助热应激后珊瑚恢复的潜力。根据不同海域的需求、后勤条件及技术能力，这些应激拮抗剂可用于珊瑚礁管理和污水处理工作。
Mezger, S.D., El-Khaled, Y.C., Carvalho, S. et al. Evaluating stress antagonists for enhanced coral recovery after natural heat exposure. Sci Rep 15, 35235 (2025).
作者及所属机构
德国不来梅大学（University of Bremen）生物与化学学院（Faculty of Biology and Chemistry）海洋生态学研究组（Marine Ecology Group），
塞尔玛·D·梅茨格（Selma D. Mezger）、克里斯蒂安·怀尔德（Christian Wild）
沙特阿拉伯图瓦尔市（Thuwal, Saudi Arabia）阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）生物、环境科学与工程学部（Biological and Environmental Sciences and Engineering Division, BESE）
优素福·C·哈立德（Yusuf C. El-Khaled）、苏珊娜·卡瓦略（Susana Carvalho）、拉克尔·S·佩肖托（Raquel S. Peixoto）
引言
珊瑚礁生态系统不仅是海洋生物多样性的重要支撑，更是全球数百万人口食物与收入的关键来源1,2,3。然而，珊瑚礁正面临多种人为应激因素的威胁，其中气候变化的影响最为显著4,5。气候变化引发的海洋热浪（MHWs）频率和强度不断增加，已成为珊瑚礁的主要威胁，导致大规模珊瑚白化和死亡事件频发5,6,7。自1950年以来，全球造礁珊瑚已消失一半，这一惊人的消失速度凸显了珊瑚保护工作的迫切性8。
红海区域正经历快速变暖，其升温速度超过全球平均水平9,10，是全球气候变暖趋势的典型缩影。随着海洋热浪加剧，珊瑚白化事件的频率和规模预计将进一步增加，对全球珊瑚礁生态系统的恢复力构成严重威胁11,12。了解珊瑚的恢复力（包括其抗白化能力和白化后的恢复能力），是评估珊瑚物种抵御环境应激并从中恢复的整体能力的核心13,14。例如，热应激引发的珊瑚白化会破坏珊瑚与其共生虫黄藻之间的关键共生关系，导致珊瑚色素流失，最终走向死亡15,16。尽管部分珊瑚能够从白化事件中恢复，但恢复的程度和机制因物种及环境条件的不同而存在差异17。
珊瑚的恢复过程复杂，受能量储备、异养摄食能力及共生关系稳定性等多种因素影响18,19。然而，由于白化事件频率不断增加，超出了珊瑚礁的自然恢复速度，珊瑚的恢复能力可能会受到损害18,20。以往的研究多聚焦于不同时间尺度（主要为数月至数年）的珊瑚恢复过程，关注造礁珊瑚覆盖度、共生关系重建及能量储备补充等指标。此外，这些恢复研究大多在自然环境中原位开展，未考虑可能促进恢复的潜在应激拮抗剂。而且，珊瑚恢复研究的结果差异较大，尤其是在对比年度周期性白化事件与单次白化事件时：部分物种能适应反复白化，而另一些物种则无法适应，这凸显了恢复动态的物种特异性18,21。因此，尽管在热应激强度较低或持续时间较短的情况下，部分珊瑚能够恢复17，但目前对于珊瑚在热应激后的短期响应机制，仍存在明显的认知空白。
白化事件发生频率与珊瑚恢复速度的不匹配，对珊瑚的生存构成了重大威胁20。在气候变化导致干扰机制发生改变的背景下，了解影响珊瑚恢复速度的因素变得愈发关键23。面对气候变化引发的大规模白化等威胁，亟需采取措施增强珊瑚礁的恢复力。国际珊瑚礁保护界公认珊瑚礁保护的三大核心支柱：（1）降低全球气候变化带来的威胁；（2）通过地方措施增强珊瑚礁的恢复力与保护力度；（3）投入资金开展恢复科学研究24。而了解珊瑚礁生态系统内部的拮抗作用，是实现这些目标的关键。
尽管已有研究通过多种方法（如利用益生菌重塑珊瑚微生物群落25,26,27）应对珊瑚恢复力提升的需求，但本研究进一步拓展了研究范围，探究多种候选物质对珊瑚恢复的辅助作用。基于以往研究中已证实的对热应激下珊瑚生理具有积极影响的物质（详见补充材料表S1），我们筛选出四种潜在候选物质——氢气、磷酸盐、铵盐和益生菌。其中，氢气（H₂）的特性表明其可能是一种有效的应激拮抗剂28。研究显示，氢气可减少固氮作用29,30，并具有强抗氧化性，从而降低活性氧（ROS）的含量31,32,33；磷酸盐（PO₄）可能提高珊瑚的光合能力与碳转运效率，并在热应激期间稳定类囊体膜34,35；补充铵盐（NH₄）与珊瑚光保护色素增加、活性氧释放减少及总抗氧化能力提升相关34,36,37，此外，通过补充铵盐缓解珊瑚的氮限制，可提高共生藻细胞密度和叶绿素浓度38,39。不过，较高的共生藻密度虽可能通过提升光合潜力促进应激后的恢复，但也可能因热暴露下氧化应激增强而增加珊瑚的白化敏感性40。因此，铵盐补充的时机和剂量至关重要，需避免产生意外负面影响，以最大化其潜在益处。最后，益生菌是从健康珊瑚中分离并筛选出的具有有益特性的珊瑚有益微生物（BMC）26，已被证实不仅能促进珊瑚生长，还可缓解污染、白化或疾病对珊瑚的影响。
这些不同类型的应激拮抗剂为应对气候变化引发的热应激威胁、促进珊瑚恢复提供了潜在途径。归根结底，整个生态系统的恢复力取决于珊瑚等基础物种从应激中恢复的能力，这凸显了研究应激拮抗剂以加速珊瑚恢复过程的迫切需求23。本研究通过对鹿角珊瑚属和焦黄滨珊瑚这两种造礁珊瑚开展短期实验，旨在探究自然热暴露后，不同应激拮抗剂对造礁珊瑚恢复过程的影响。研究聚焦珊瑚的生理指标，以期为应对热暴露加剧的珊瑚保护策略提供有价值的参考。
材料与方法
实验设计
2023年，红海中部受持续时间较长的海洋热浪影响，发生了珊瑚白化事件，该事件始于6月，持续至11月（图1A）。根据定义，海洋热浪是指某一区域海水温度超过该区域历史观测数据90百分位值的持续时期52。从6月初至10月采样期间，受此次海洋热浪引发的温度异常影响54，珊瑚经历的累积热周（DHW，定义参考Liu等人的研究53，详见补充图S1）约为17度·周。野外监测显示，8月末至9月中旬，海水温度最高达到33.9°C（图1B）55，这导致法哈尔礁（Al Fahal Reef，北纬22°18′19.1″，东经38°57′55.0″）采样点及该区域其他珊瑚礁出现大规模珊瑚白化和死亡（参考文献55及个人观测）。10月初，海水温度开始下降，此后不久，存活的珊瑚群体开始缓慢恢复（个人观测）。
图1 研究区域的温度异常与海水温度
（A）图显示基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA）卫星数据获取的2023年采样珊瑚礁区域的温度异常情况。颜色标识表示各月份是否属于海洋热浪（MHW），判定阈值为3个月窗口期内海表温度异常观测值的90百分位（MHW 90）或95百分位（MHW 95）。（B）图显示法哈尔礁1米和10米水深的日平均海水温度，同时标注了历史月平均温度（https://aqualink.org/sites/3376，访问时间2024年4月8日）。灰色方框代表10月11日至24日的野外采样期。
为评估不同应激拮抗剂对自然热暴露（即上述海洋热浪）后造礁珊瑚短期恢复潜力的影响，我们采集了红海区域常见的两种造礁珊瑚——鹿角珊瑚属（*Acropora* spp.）和近期重新分类的焦黄滨珊瑚（*Pocillopora favosa*）56（图2）。对于鹿角珊瑚片段，我们通过视觉观察选取形态类似亨氏鹿角珊瑚（*Acropora cf. hemprichii*）的样本；但由于该属珊瑚形态变异性显著且分类学界定尚未完全明确，本研究中统一将其称为鹿角珊瑚属（*Acropora* spp.）。
实验片段（每个处理组n=5）采集自法哈尔礁的“红海研究中心珊瑚益生菌试验区”（北纬22°18′19.1″，东经38°57′55.0″），该地点位于沙特阿拉伯红海沿岸的阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）附近海域，距海岸约15公里。采样通过水肺潜水进行，使用钳子（ACE品牌）从两种珊瑚各5个独立群体（水深约10米）上截取长度为2-4厘米的片段，每个处理组包含每个群体的1个片段（共5个片段），确保所有处理组及后续生理分析均采用相同的5个生物重复（群体）。采集时所有珊瑚群体均呈现出比海洋热浪前更明显的褪色（白化）现象。我们对珊瑚群体进行了标记，以便在整个实验期间对同一群体进行重复采样。
由于水族箱、LED水族灯及实验室实验空间有限，实验采用序贯处理方式：完成一个完整的实验流程（即一种处理）后，再启动下一种处理。所有实验于2023年10月在两周内完成，处理顺序依次为：磷酸盐、益生菌、对照组、铵盐、氢气。
图2 研究实验设计
在累积热周达17度·周的持续海洋热浪后，从野外褪色的珊瑚群体中采集5个基因型的鹿角珊瑚属和焦黄滨珊瑚片段，将其转移至小型中型生态缸（mesocosm tanks）中，在30°C条件下分别接受5种处理，持续48小时，随后通过生理评估确定其恢复情况。图表由BioRender制作。
采样与实验操作详情
在每个采样日，从5个珊瑚群体中各截取2个片段（实验方案编号：22IBEC003_V2，经阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）研究合规办公室下属机构生物安全与生物伦理委员会批准），将其放入装有海水的黑色采样袋中，再一同置于盛有80升海水的塑料桶内。在氢气处理实验中，1个鹿角珊瑚属（*Acropora* spp.）样本不慎丢失，导致该处理组的重复样本量减少至4个基因型。随后，样本片段被放入装有采样点海水的塑料箱（乐柏美（Rubbermaid）冷藏箱，规格25×36厘米，容积22升）中运送至实验室，以避免在船只转运过程中受到高强度光照和高温影响。
样本抵达实验室后，首先对所有片段进行拍照，记录其视觉颜色特征；之后，从每个珊瑚群体的2个片段中随机选取1个立即冷冻并置于-80°C冰箱中，作为基线生理分析样本（起点样本），另1个片段则被分配至实验缸，放入3D打印的固定架中，转移至对应处理组的实验缸内（终点样本）。
实验缸设置
实验缸为小型封闭式玻璃水族箱，内装10升从珊瑚礁采集的海水。实验共使用5个小型中型生态缸（mesocosm tank），每个缸中放置1个来自不同鹿角珊瑚属群体的片段和1个来自不同焦黄滨珊瑚（*P. favosa*）群体的片段，以避免“缸效应”（即不同实验缸环境差异对结果的干扰）。
每个实验缸均配备以下设备：
- 水族箱水泵（Barst潜水式水泵，型号JR-250B）；
- 加热棒（Schego钛管加热棒，防护等级IP68，功率200瓦，规格250毫米×25毫米），并连接恒温控制器（英邦（Inkbird）温度控制器，型号ITC-308）；
- LED水族灯（Galaxyhydro品牌），模拟12小时光照/12小时黑暗的昼夜周期。
在48小时的实验过程中，对温度、盐度和光照强度进行常规监测，以确保各实验缸环境条件一致（缸内参数：光合有效辐射（PAR）≈200微摩尔·平方米·秒⁻¹，盐度39.6±0.3‰，温度30.0±0.4°C）。为模拟真实的热浪后环境，包括对照组在内的所有实验缸均维持在约30.0°C，这与该区域10月和11月的历史平均海表温度（分别为30.5°C和30.2°C）一致57。因此，本研究中的对照组代表了自然热环境下无干预的基线状态，可用于评估应激拮抗剂在珊瑚早期恢复阶段的额外益处。在封闭式水族箱系统中，为避免盐度升高，每天需调整盐度3次（分别在早晨开灯时、中午及傍晚关灯时）。由于实验持续时间较短，未对营养盐浓度进行连续监测。
处理组设置
每个采样日启动1个不同处理组的实验，每种珊瑚物种的样本量为5个片段（n=5）。这5个片段始终来自上述相同的5个珊瑚群体（每个处理组中每个群体对应1个片段），所有生理分析均基于同一组重复样本进行。处理组具体设置如下：
1. 对照组：不添加任何物质；
2. 氢气组（H₂）：通过将10%的缸内海水替换为富氢蒸馏水（使用富氢水杯（Aukewel品牌，型号ABS-FQ-02）制备，并添加海水盐（红海盐，Red Sea品牌）），使缸内氢气浓度维持在0.3-0.5ppm（相当于150-250微摩尔）；
3. 磷酸盐组（PO₄）：添加磷酸钠（Sigma Aldrich品牌，化学式Na₂HPO₄·2H₂O，CAS号10028-24-7），使缸内磷酸盐浓度达到2微摩尔；
4. 铵盐组（NH₄）：添加氯化铵（Sigma Aldrich品牌，CAS号12125-02-9），使缸内铵盐浓度达到3微摩尔；
5. 益生菌组：使用定制化的珊瑚有益微生物（BMC）。实验所用的2种定制BMC由阿卜杜拉国王科技大学海洋微生物组实验室提供：
- BMC I（针对焦黄滨珊瑚设计）：包含6种菌株，分别为盐单胞菌属（*Halomonas* sp.）、Suctlifiella属（*Suctlifiella* sp.）、2种假交替单胞菌属（*Pseudoalteromonas* sp.）菌株及2种考克氏菌属（*Cobetia* sp.）菌株58,59；
- BMC II（针对亨氏鹿角珊瑚（*A. cf. hemprichii*）设计）：包含4种菌株，分别为盐单胞菌属（*Halomonas* sp.）、考克氏菌属（*Cobetia* sp.）及2种假交替单胞菌属（*Pseudoalteromonas* sp.）菌株。
结果
对照组珊瑚在48小时实验期间表现出明显的应激特征：存活率和颜色灰度值均为最低。而在富氢环境下，鹿角珊瑚属和焦黄滨珊瑚的存活率均有所提升——鹿角珊瑚属4个片段存活3个，焦黄滨珊瑚存活率翻倍至5个片段存活4个。在小鼠、大鼠及人类等其他生物中，氢气已被证实是一种强效抗氧化剂31,32,33。
根据珊瑚白化的氧化应激理论，热应激会导致共生藻的光合机制受损，产生活性氧（ROS）；这些活性氧会扩散到珊瑚宿主细胞中，超出宿主抗氧化系统的清除能力，进而损伤宿主组织67,68。珊瑚最终能否恢复或走向死亡，取决于活性氧造成的氧化损伤程度：轻微的活性氧损伤可通过修复机制恢复，而关键细胞结构的不可逆损伤则会导致珊瑚死亡67。因此，氢气的抗氧化特性可能在海洋热浪后珊瑚恢复过程中发挥关键作用。
尽管对照组与氢气处理组的珊瑚片段在氧气通量上存在细微差异，但这些差异均无统计学显著性。鹿角珊瑚属片段初级生产力略有下降，可能是由于氢气抑制了固氮作用，导致氮可用性降低（氮是影响光合速率的关键营养盐）69,70。此外，本研究中观察到的珊瑚颜色灰度值和叶绿素含量轻微下降，也可能暗示氢气诱导的氮限制已开始显现——氢气是固氮菌固氮作用的竞争性抑制剂29,30,71，而氮限制会阻碍共生藻的生长72,73，这也能进一步解释光合速率下降的现象。
尽管如此，所有处理组的总光合速率与呼吸速率比值（Pgross:R）均大于1，这意味着珊瑚通过自养作用获取的能量仍大于消耗的能量74。此外，需特别指出的是，珊瑚可能经历了“热应激后紊乱（PHSD）”——这一术语由Santoro等人提出46，指珊瑚在热应激期结束后数天至数周内，仍会面临细胞、免疫及代谢层面的后续影响，包括炎症加剧、组织损伤、细胞凋亡，以及细胞膜和细胞骨架的重建等。其中部分影响在珊瑚片段出现明显白化迹象前就已触发，例如热应激期间营养循环的改变可能导致珊瑚-藻共生关系破裂，进而在后续阶段引发白化和死亡75。
总体而言，本研究揭示了氢气对珊瑚生理影响的复杂性。未来需进一步研究，从机制层面探索氢气对珊瑚共生体氮循环的作用，并在珊瑚礁群落层面评估其对周边其他生物的影响，以全面阐明氢气在珊瑚恢复中的角色。
