造礁珊瑚在细胞外钙化介质(ECM)中形成碳酸钙骨骼。尽管ECM在珊瑚钙化过程中发挥着关键作用，但ECM碳酸盐化学在体内的约束条件较差，完整的ECM碳酸盐化学从来没有仅仅通过体内直接测量来表征。在这里，我们利用微传感器和荧光染料f -1同时测量了雌蕊生长边缘的pHECM，结果表明，在同一时间、同一地点测量，结果一致。然后我们进行microscope-guided微传感器的测量pH值,[Ca2 +]和[CO32−)在ECM,由此,确定(DIC) ECM和霰石饱和状态(Ωarag),显示所有参数升高对周围的海水。我们的研究提供了迄今为止在珊瑚物种中最完整的ECM碳酸盐化学参数的体内表征，指出了钙和碳富集机制在珊瑚钙化中的关键作用。

介绍

珊瑚钙化是一种生物矿化过程，它涉及到碳酸钙骨骼(CaCO3)的形成，从而形成珊瑚礁的大规模生物构造。虽然这些生态系统只占大约0.1%的海洋面积,他们被认为是主要的生态和经济价值(1)。珊瑚礁是海洋环境最具生物多样性的栖息地之一,窝藏大约三分之一的已知的海洋生物(2)和密度最高的动物被发现在地球上任何地方(3)。他们还提供一系列的生态系统服务全球许多国家,包括保护海岸免受极端天气情况下的强烈海浪作用(4,5)。

珊瑚骨骼的形成是在细胞外钙化介质(ECM)中进行的，也称为钙化液、成冰下层介质或成冰下层间隙(6-8)。ECM是一个由几纳米到几微米厚度的半封闭隔间，“夹在”骨架和钙化杯状上皮(CCE)之间(9)。CCE从而空间分离ECM从直接接触周围的环境(9)。ECM的化学成分普遍是一个至关重要的因素控制钙化(9),其重要性在珊瑚钙化和生理弹性环境变化导致了大量相关研究ECM参数(pH值、Ca2 +和CO32−,大多数描述pHECM关键参数)和派生ECM碳酸盐化学(如。霰石,饱和状态Ωarag =[Ca2 +][CO32−)/增殖和溶解无机碳浓度(DIC)]。

所有现有数据的基础上,人们普遍认为珊瑚增加ECM pH值和碳酸盐浓度提升Ωarag在上面的ECM周围海水的(8 - 15)。提升Ωarag以ECM好处霰石的形成,因此认为构成珊瑚生物矿化过程中关键的一步(16)。这一生理过程也可能是珊瑚和珊瑚礁生态系统的关键容忍减少海水Ωarag将发生在海洋酸化(11、14、17)。此外，最近的研究结果表明，ECM中Ca2+的上调对ECM碳酸盐化学和珊瑚恢复力似乎具有显著的重要性(14)，并赋予[Ca2+]在珊瑚生物矿化研究中的重要作用。

然而,大多数的这些发现来自间接测量方法使用地球化学代理而不是在ECM(硼同位素分类学δ11B和B / Ca和拉曼光谱用于Ωarag)(13、14号)。值得注意的是,一些数据来自体内直接测量(共焦显微镜使用pH-sensitive荧光染料SNARF-1(carboxyseminaphthorhodafluor-1)和一对(8-hydroxypyrene-1 3 6-trisulfonic酸)或应用程序的微型pH值、Ca2 +,或者CO32−测量)(8、10、15、22、23)。在已发表的体内研究中，只有微传感器的应用导致了对多个参数的直接测量。缺乏直接方法的多参数数据集主要是由于在活体珊瑚中获取ECM的技术挑战，以及在共聚焦显微镜下缺乏碳酸盐和可行的钙染料。微传感器，然而，可以制造所有相关的ECM参数，他们是微创的，他们测量秒和微米的规模。然而,尽管一个微传感器的研究测量[Ca2 +](10)和一个测量[CO32−)(15)除了pHECM,从来没有研究这三个特征参数在一个研究或物种。这排除了一个计算Ωarag碳酸和完整的描述系统完全基于直接测量。现有微传感器研究的一个显著的不确定性是，它们留下了一个问题，即测量是否真的在ECM中进行，这意味着它们是以一种“盲目”的方式进行的。因此，微传感器测量是在刺穿珊瑚coenosarc组织测量pHECM(23)，用手术刀切割(10)或将传感器插入息肉口(15)后进行的，没有光学验证微电极是否正确放置在ECM中。这使得我们很难排除珊瑚体内其他部分(如腔肠)的影响。

pHECM是文献中描述的各种方法获得的数据中可用的参数。pHECM值的范围很广，通常微电极研究得到的值最高，而硼和f -1研究得到的值较低。目前尚不清楚不同的测量技术是否对文献中pH值的范围有影响。目前，还没有研究试图结合不同的技术。虽然Holcomb和他的同事(24)对相同的珊瑚样本进行了硼和共焦测量，但是在样本内部研究的不同区域(顶点、侧向区域和生长边缘)的技术并没有结合起来。到目前为止，还没有研究系统地比较在ECM中使用pH染料和H+选择性微电极进行pH测量的结果。

除了文献中pHECM值的这种差异外，关于珊瑚是否将DIC集中在ECM中也一直存在争议。同时,基于一些假设,同位素研究Porites种虫害表示,在ECM(DIC)可以两个或更多倍海水(13日21),微电极通过Cai et al。(15)表示,迪拜国际资本在Orbicella faveolata,Turbinaria reniformis,鹿角并不是大大高于海水升高值。这个问题很重要,解决从的角度获得更好的机械理解珊瑚钙化和同位素地球化学特征的解释(如δ13C)广泛用于古记录。

在本研究中，我们对雌蕊柱珊瑚进行了微传感器调查，仅根据直接体内测量数据来量化全碳酸盐体系的ECM。我们首先利用微传感器和pH敏感染料f -1同时测量了雌蕊微菌落生长边缘ECM内的pH值。然后我们使用微型传感器测量这三个参数(pH值,[CO32−],[Ca2 +])在相同的ECM的边缘珊瑚物种。在光和暗条件下测量各参数，通过倒置显微镜对微传感器尖端在生长边缘ECM内的正确位置进行光学验证。这些数据被用来计算总(DIC)和Ωarag ECM。我们采用与早期研究类似的方法(15)，也使用微传感器测量珊瑚息肉下的pH值和CO32+。

我们的研究提供了最全面的体内ECM碳酸盐化学表征,揭示出珊瑚钙,提升(DIC),并在ECMΩarag,除了增加pHECM。这些发现有力地支持了ECM碳酸盐化学的生物调控作用，并突出了其在珊瑚钙化中的重要作用。

结果

同时测量微传感器的f -1和pH液体离子交换

ECM的调查验证的应用微型化学日益增长的边缘珊瑚一个个独立王国,在美国我们测量pHECM pistillata一个个独立王国种植在盖玻片pH值通过同时使用微型传感器和荧光共焦显微镜加上pH-sensitive染料SNARF-1(图1)。共焦显微镜使ECM的成像,这是接触霰石晶体的calicoblastic上皮(8,22)。将微传感器插入ECM后(图1、A、B)， pH值立即升高，相对海水值最高可达0.51个pH单位。这些值与通过对f -1共聚焦分析得到的pH值非常接近(图1C)。在整个实验时间序列中，Microsensor和f -1 pH值的测量结果非常接近(图1C)，说明这两种体内方法在相同的测量位置和时间范围内产生了非常相似的结果(图1C)。微传感器时间序列还显示ECM内部的时间pH动态，通常无法通过不连续测量来解决。