Carbon mineralization pathways and bioturbation in coastal Brazilian sediments

巴西沿海沉積物中的碳礦化途徑和生物擾動(dòng)

來源：Scientific RepoRts | 5:16122 | DOi: 10.1038/srep16122

 

摘要內(nèi)容

這篇研究了亞熱帶巴西沿海沉積物中有機(jī)碳礦化的途徑及其與大型底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)的關(guān)系。摘要指出，在溫帶沿海沉積物中，有氧呼吸和硫酸鹽還原通常各占碳礦化的約50%，但關(guān)于亞熱帶地區(qū)的數(shù)據(jù)很少。本研究通過2012年9月（冬季）和2014年2月（夏季）在烏巴圖巴灣的觀測發(fā)現(xiàn)，鐵還原是微生物碳礦化的主要途徑（冬季占73-81%，夏季占32-61%），而硫酸鹽還原在任何季節(jié)均未檢測到。反硝化作用貢獻(xiàn)了5-27%。氧化還原剖面顯示夏季沉積物氧化程度更高，這與有機(jī)質(zhì)反應(yīng)性低、小型宏體動(dòng)物生物灌溉增強(qiáng)有關(guān)。生物擾動(dòng)通過調(diào)節(jié)電子受體的輸送和氧化還原條件，在調(diào)控碳礦化途徑中起關(guān)鍵作用。

研究目的

本研究旨在探究巴西東南沿海沉積物中有機(jī)碳礦化的主要途徑（如有氧呼吸、鐵還原、反硝化等），并評估大型底棲動(dòng)物生物擾動(dòng)活動(dòng)對這些途徑的季節(jié)性影響。

研究思路

研究采用現(xiàn)場采樣與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的策略：

 

時(shí)間與站點(diǎn)：于2012年9月（冬季）和2014年2月（夏季），在烏巴圖巴灣5-12米水深的三個(gè)站點(diǎn)（St 5, St 6, St 7）進(jìn)行采樣。

現(xiàn)場測量與采樣：采集沉積物巖心和水樣，測量底部水體溶解氧、沉積物特性（密度、孔隙度、粒度、葉綠素a等）。

室內(nèi)培養(yǎng)與通量測量：將完整沉積物柱芯在實(shí)驗(yàn)室黑暗條件下培養(yǎng)3-5天，測量沉積物-水界面的TCO?、O?、營養(yǎng)鹽（NH??、NO??）交換通量。

高分辨率剖面測量：使用丹麥Unisense氧化還原微電極現(xiàn)場測量沉積物剖面的氧化還原電位（Eh）。

孔隙水與固體相分析：對沉積物切片，分析孔隙水中的TCO?、NH??、SO?2?、Fe2?等；分析固體相中的活性Fe(II)和Fe(III)含量。

生物群落與生物擾動(dòng)：鑒定和計(jì)數(shù)底棲宏體動(dòng)物，估算群落呼吸，并通過溴化物示蹤法計(jì)算生物灌溉速率。

厭氧培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行沉積物厭氧（jar）培養(yǎng)，測定不同深度的TCO?產(chǎn)生速率、鐵還原速率等。

 

數(shù)據(jù)整合與預(yù)算分析：結(jié)合通量測量、厭氧培養(yǎng)結(jié)果和宏體動(dòng)物代謝數(shù)據(jù)，構(gòu)建碳礦化途徑的預(yù)算。

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義（注明數(shù)據(jù)來源）

 

沉積物-水界面通量（TCO?, O?, NH??, NO??）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：TCO?和O?消耗通量在夏季（31-35 mmol m?2 d?1和-32至-35 mmol m?2 d?1）顯著高于冬季（17-23 mmol m?2 d?1和-9至-12 mmol m?2 d?1）。NH??通量從冬季的消耗或低釋放變?yōu)橄募镜膬翎尫?。NO??通量在冬季較高。

研究意義：量化了沉積物總碳礦化速率和氮循環(huán)的季節(jié)性變化，表明夏季沉積物代謝更活躍，但氮的去除（反硝化）可能相對減弱。

 

數(shù)據(jù)來源：表1提供了各站點(diǎn)在兩個(gè)季節(jié)的平均通量值。

 

氧化還原電位垂直剖面：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Unisense微電極測量顯示，冬季氧化層極薄（Eh>0mV的深度僅0.07-0.15mm），并在約1.5mm深處出現(xiàn)負(fù)Eh峰值（最低-64mV）。夏季氧化層更厚（Eh<200mV的深度在0.6-3mm以下），且未檢測到負(fù)Eh值。

研究意義：直接揭示了沉積物氧化還原條件的顯著季節(jié)差異，表明冬季沉積物更還原，而夏季氧化性更強(qiáng)。這為解釋碳礦化途徑的季節(jié)轉(zhuǎn)換提供了關(guān)鍵環(huán)境背景。

 

數(shù)據(jù)來源：圖1展示了兩個(gè)季節(jié)各站點(diǎn)的氧化還原電位垂直剖面。

 

微生物反應(yīng)速率（厭氧培養(yǎng)）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：厭氧培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)測得的TCO?產(chǎn)生速率隨深度降低。鐵還原速率在夏季沉積物上層（0-10cm）非常高（最高達(dá)646 nmol cm?3 d?1）。硫酸鹽還原在任何站點(diǎn)或季節(jié)均未檢測到。

研究意義：直接證明了鐵還原是該區(qū)域沉積物中異常活躍的厭氧過程，而非溫帶海岸常見的硫酸鹽還原。這挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)認(rèn)知，突出了區(qū)域特殊性。

 

數(shù)據(jù)來源：圖2展示了TCO?產(chǎn)生、NH??產(chǎn)生和鐵還原速率的垂直分布。

 

孔隙水溶質(zhì)剖面（TCO?, NH??, SO?2?, Fe2?）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：孔隙水TCO?和NH??濃度一般隨深度增加。SO?2?濃度穩(wěn)定（21-30mM），無消耗跡象。Fe2?在冬季出現(xiàn)亞表層峰值（最高50μM）。

研究意義：SO?2?剖面印證了硫酸鹽還原缺失。Fe2?峰值表明鐵還原產(chǎn)物在沉積物中積累，與高鐵還原速率相符。

 

數(shù)據(jù)來源：圖3展示了孔隙水溶質(zhì)的垂直剖面。

 

固體相活性鐵含量：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：活性Fe(II)含量通常高于Fe(III)，并在亞表層（4-8cm）出現(xiàn)富集。Fe(III)在表層以下迅速降低。

研究意義：表明沉積物中存在豐富的鐵氧化物，為鐵還原提供了底物。Fe(II)的積累也反映了還原條件。

 

數(shù)據(jù)來源：圖4展示了固體相Fe(II)和Fe(III)的垂直分布。

 

宏體動(dòng)物群落與生物灌溉：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：宏體動(dòng)物豐度和生物量在夏季（1297-1777 ind m?2；245-3029 mg m?2）遠(yuǎn)高于冬季（96-192 ind m?2；32-402 mg m?2）。生物灌溉速率在夏季也傾向于更高。

研究意義：將生物擾動(dòng)的強(qiáng)度與沉積物氧化狀態(tài)（夏季更氧化）聯(lián)系起來，表明高密度的宏體動(dòng)物（尤其是小型種類）通過生物灌溉將氧氣輸入沉積物，影響了碳礦化途徑的分配。

 

 

數(shù)據(jù)來源：宏體動(dòng)物數(shù)據(jù)總結(jié)于表2；溴化物剖面及生物灌溉計(jì)算見圖5。

 

結(jié)論

 

鐵還原主導(dǎo)厭氧碳礦化：在巴西烏巴圖巴灣的沿海沉積物中，鐵還原是主要的厭氧碳礦化途徑，貢獻(xiàn)了相當(dāng)大比例的總微生物碳礦化，而硫酸鹽還原作用可忽略不計(jì)。

強(qiáng)烈的季節(jié)性差異：碳礦化途徑存在顯著季節(jié)變化。冬季，鐵還原貢獻(xiàn)了絕大部分（73-81%）微生物碳礦化；夏季，由于沉積物氧化性增強(qiáng)（氧化層更厚），鐵還原的相對貢獻(xiàn)下降（32-61%），而有氧呼吸和反硝化作用的比例增加。

生物擾動(dòng)的關(guān)鍵調(diào)控作用：生物擾動(dòng)，特別是由高密度小型宏體動(dòng)物在夏季驅(qū)動(dòng)的生物灌溉，是維持沉積物氧化狀態(tài)、影響電子受體可用性，從而調(diào)控碳礦化途徑分配的關(guān)鍵因素。大型生物（如腸鰓動(dòng)物）則可能全年促進(jìn)鐵氧化物的再氧化。

 

機(jī)制總結(jié)：上升流和冷鋒事件等環(huán)境因素通過改變水體條件、初級生產(chǎn)力和有機(jī)質(zhì)輸入，間接影響沉積物生物地球化學(xué)過程和宏體動(dòng)物群落，最終導(dǎo)致碳礦化途徑的季節(jié)性動(dòng)態(tài)。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數(shù)據(jù)有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產(chǎn)的氧化還原電位（Eh）微電極測量了沉積物剖面的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)具有至關(guān)重要的作用和研究意義：

 

提供高分辨率的原位氧化還原狀態(tài)證據(jù)：Unisense Eh微電極能夠以亞毫米級精度（0.5-1mm步長）直接測量沉積物最表層的氧化還原電位垂直剖面（圖1）。這種高空間分辨率的原位測量避免了傳統(tǒng)取樣方法的擾動(dòng)，精確地“可視化”了沉積物-水界面的化學(xué)微環(huán)境梯度。本研究中最關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)之一——冬季沉積物處于強(qiáng)還原狀態(tài)而夏季氧化性增強(qiáng)——完全依賴于Unisense電極提供的直觀、可靠的Eh剖面證據(jù)。

定量界定氧化還原分層與關(guān)鍵界面：通過Eh數(shù)據(jù)，研究者可以準(zhǔn)確定義氧化層厚度（如Eh>0mV或Eh>200mV的深度）。數(shù)據(jù)顯示，冬季氧化層極?。?lt;0.2mm），而夏季可達(dá)數(shù)毫米。這一量化指標(biāo)是理解氧化劑（如O?）滲透深度和厭氧過程起始位置的基礎(chǔ)，直接將物理化學(xué)環(huán)境與微生物活動(dòng)區(qū)域聯(lián)系起來。

直接關(guān)聯(lián)環(huán)境條件與微生物過程：Unisense電極揭示的氧化還原條件與測得的微生物反應(yīng)速率（圖2）高度吻合。例如，冬季普遍更負(fù)的Eh值與觀測到的高鐵還原速率相一致，因?yàn)閺?qiáng)還原環(huán)境有利于鐵還原菌的活動(dòng)。夏季更氧化的Eh剖面則與有氧呼吸貢獻(xiàn)增加相符。因此，Eh數(shù)據(jù)為解釋為何鐵還原而非硫酸鹽還原成為主導(dǎo)厭氧過程提供了最直接的環(huán)境化學(xué)解釋：沉積物條件更有利于鐵循環(huán)。

揭示生物擾動(dòng)的生態(tài)效應(yīng)：夏季更氧化的Eh剖面與當(dāng)時(shí)更高的宏體動(dòng)物豐度和生物灌溉速率（表2，圖5）同時(shí)出現(xiàn)。這強(qiáng)有力地表明，小型宏體動(dòng)物通過生物灌溉將氧氣泵入沉積物，是導(dǎo)致夏季沉積物氧化性增強(qiáng)的主要原因。Unisense電極數(shù)據(jù) thus 充當(dāng)了連接生物活動(dòng)（生物擾動(dòng)）與地球化學(xué)響應(yīng)（氧化還原條件改變）之間的橋梁，闡明了生物擾動(dòng)調(diào)控碳礦化途徑的內(nèi)在機(jī)制。

 

支撐碳礦化途徑的預(yù)算分析：在構(gòu)建碳礦化途徑預(yù)算（表3）時(shí)，對沉積物氧化還原狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷至關(guān)重要。Unisense Eh剖面提供的季節(jié)對比數(shù)據(jù)，是合理解釋冬季和夏季碳礦化途徑分配差異（如鐵還原貢獻(xiàn)比例變化）的基石。

 

總之，丹麥Unisense氧化還原微電極在本研究中提供的并不僅僅是幾個(gè)測量值，而是整個(gè)研究故事線的核心證據(jù)鏈。其高分辨率、原位的測量結(jié)果，使得研究者能夠超越推測，從機(jī)理層面令人信服地揭示了巴西沿海沉積物獨(dú)特的碳礦化特征（鐵還原主導(dǎo)）及其受生物擾動(dòng)和季節(jié)調(diào)控的動(dòng)態(tài)過程，極大地增強(qiáng)了對亞熱帶沿海生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的理解。