Influence of Physical Perturbation on Fe(II) Supply in Coastal Marine Sediments  

物理擾動對沿海海洋沉積物中Fe(II)供應(yīng)的影響  

來源：Environmental Science & Technology, Volume 54, Issue 6, 2020, Pages 3209-3218

《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》第54卷第6期，2020年，第3209-3218頁

 

摘要內(nèi)容

 

該研究通過伏安法高分辨率微傳感器測量、順序鐵提取和穆斯堡爾光譜分析，探究了物理擾動（如風(fēng)暴事件）對沿海沉積物中溶解Fe(II)（Fe2?）和鐵礦物相的影響。研究發(fā)現(xiàn)：  

1. 靜置培養(yǎng)階段：沉積物柱在7天靜置培養(yǎng)后，F(xiàn)e2?濃度從初始400 μM降至60 μM，表層（0-2 mm）因Fe(III)光還原作用出現(xiàn)Fe2?積累（最高100 μM）。  

2. 物理擾動效應(yīng)：模擬風(fēng)暴擾動后，F(xiàn)e2?在30 mm深度迅速升至320 μM，但2天內(nèi)降至檢測限以下。擾動促使亞穩(wěn)態(tài)鐵硫礦物相（FeS?）分解，釋放Fe2?。  

3. 礦物相轉(zhuǎn)化：靜置培養(yǎng)促進(jìn)鐵礦物結(jié)晶化（如黃鐵礦FeS?和藍(lán)鐵礦Fe?(PO?)?增加），而擾動增加非晶態(tài)鐵相比例（如FeS?），提高鐵的生物可利用性。  

4. 環(huán)境意義：物理擾動（波浪、生物擾動）通過破壞礦物結(jié)構(gòu)和引入氧氣，顯著增強(qiáng)沉積物中鐵的再活化，影響鐵循環(huán)及關(guān)聯(lián)元素（如硫、磷）的生物地球化學(xué)過程。  

 

研究目的

 

1. 量化物理擾動（風(fēng)暴、波浪作用）對沉積物中Fe2?濃度梯度及鐵氧化還原穩(wěn)定性的影響。  

2. 闡明擾動后Fe2?再活化的機(jī)制及其與鐵硫礦物相（如FeS?）轉(zhuǎn)化的關(guān)聯(lián)。  

3. 揭示沉積物中鐵的形態(tài)動態(tài)變化對微生物鐵代謝和元素循環(huán)的生態(tài)意義。  

 

研究思路

 

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計：  

   ? 制備17個人工沉積物柱，模擬海洋沉積環(huán)境（12小時光暗循環(huán)培養(yǎng)）。  

 

   ? 分階段操作：  

 

     ? 靜置培養(yǎng)：0-7天無擾動，每日監(jiān)測Fe2?和O?剖面。  

 

     ? 物理擾動：第7天模擬風(fēng)暴事件（劇烈混合沉積物并通入O?），擾動后繼續(xù)監(jiān)測。  

 

   ? 對比組：靜置培養(yǎng)組（0、2、7天）與擾動后組（風(fēng)暴后即刻、2天后）。  

 

2. 多方法結(jié)合：  

   ? 微傳感器技術(shù)：伏安法測Fe2?（金汞合金電極）、Unisense微電極測O?和氧化還原電位。  

 

   ? 順序鐵提?。悍植饺芙夥蔷B(tài)鐵（Na-醋酸鹽）、弱結(jié)晶鐵（0.5 M HCl）和高結(jié)晶鐵（6 M HCl）。  

 

   ? 礦物表征：穆斯堡爾光譜（77 K和5 K）和X射線衍射（XRD）分析鐵礦物相（如FeS?、藍(lán)鐵礦、FeS?）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. Fe2?濃度剖面（圖1、圖2、圖S4、圖S5）  

   ? 數(shù)據(jù)：靜置培養(yǎng)7天后，F(xiàn)e2?從400 μM降至60 μM（30 mm深度）；擾動后即刻升至320 μM，2天后消失。  

 

   ? 意義：證實(shí)物理擾動是Fe2?短期釋放的關(guān)鍵驅(qū)動因素，揭示其快速再活化-再固定的動態(tài)循環(huán)。  

 

 

 

 

2. 溶解氧（O?）剖面（圖S6、圖S7）  

   ? 數(shù)據(jù)：擾動后O?滲透深度增加，氧化層擴(kuò)大（如14 mm處氧化還原電位升高）。  

 

   ? 意義：O?輸入促進(jìn)Fe2?氧化和礦物相轉(zhuǎn)化，解釋擾動后Fe2?的快速消耗。  

 

 

3. 順序鐵提取結(jié)果（圖3）  

   ? 數(shù)據(jù)：靜置培養(yǎng)后非晶態(tài)鐵占比從25.5%降至10.1%，高結(jié)晶鐵增加；擾動后非晶態(tài)鐵回升至25%。  

 

   ? 意義：擾動逆轉(zhuǎn)礦物結(jié)晶化進(jìn)程，增加活性鐵相比例，提升鐵的生物可利用性。  

 

4. 穆斯堡爾光譜分析（圖4、圖S8、圖S9）  

   ? 數(shù)據(jù)：靜置培養(yǎng)中FeS?相占比從19.3%升至24.7%，擾動后降至18.2%；黃鐵礦（FeS?）占比擾動后從45%降至35.6%。  

 

   ? 意義：FeS?作為亞穩(wěn)態(tài)相，對擾動敏感，其分解是Fe2?釋放的重要來源。  

 

 

 

結(jié)論

 

1. Fe2?釋放機(jī)制：物理擾動通過機(jī)械破壞礦物結(jié)構(gòu)（如FeS?）和引入O?，觸發(fā)Fe2?短期爆發(fā)性釋放（濃度可達(dá)320 μM）。  

2. 礦物相響應(yīng)：靜置培養(yǎng)促進(jìn)鐵礦物結(jié)晶化（FeS?、藍(lán)鐵礦），擾動增加非晶態(tài)鐵相（FeS?）比例，增強(qiáng)鐵反應(yīng)活性。  

3. 生態(tài)影響：擾動驅(qū)動的Fe2?再活化為微生物提供關(guān)鍵電子供體/受體，影響硫、碳等元素循環(huán)，尤其在波浪頻繁的淺海區(qū)。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

測量指標(biāo)：沉積物-水界面溶解氧（O?）剖面（0至-80 mm深度，分辨率200 μm）  

設(shè)備：Unisense 100 μm尖端Clark型O?微電極  

研究意義：  

1. 量化氧化還原動態(tài)：高分辨率O?剖面（圖S6）顯示擾動后O?滲透深度增加（如14 mm處氧化還原電位升高），直接證實(shí)擾動將O?輸入深層沉積物，驅(qū)動Fe2?氧化和礦物相轉(zhuǎn)化。  

2. 揭示擾動后恢復(fù)過程：O?剖面在擾動后2天仍顯示氧化層擴(kuò)大（對比風(fēng)暴前），表明沉積物氧化還原狀態(tài)需長時間恢復(fù)，解釋Fe2?再固定的滯后性。  

3. 關(guān)聯(lián)Fe2?釋放：O?消耗速率升高（圖S7）與Fe2?峰值同步出現(xiàn)，說明Fe2?氧化是擾動后耗氧主因之一，為鐵-硫耦合循環(huán)提供證據(jù)。  

4. 支撐管理啟示：Unisense數(shù)據(jù)證實(shí)頻繁擾動（如風(fēng)暴）可維持沉積物高活性鐵循環(huán)，提示海岸帶管理中需關(guān)注物理擾動對鐵生物地球化學(xué)過程的持續(xù)影響。