Two-dimensional ammonium distribution in sediment pore waters using a new colorimetric diffusive equilibration in thin-film technique

利用一種新的比色擴(kuò)散平衡薄膜技術(shù)研究了沉積物孔隙水中氨的二維分布

來源：Water Research X 2 (2019) 100023

 

論文摘要

本研究開發(fā)了一種新型的二維擴(kuò)散平衡薄膜技術(shù)（2D-DET），用于高分辨率（毫米級(jí)）測(cè)量沉積物孔隙水中的銨離子（NH??）分布。該技術(shù)基于Berthelot顏色反應(yīng)原理，通過將凝膠探針植入沉積物中實(shí)現(xiàn)孔隙水銨離子的原位平衡擴(kuò)散，隨后疊加顯色試劑凝膠形成綠色復(fù)合物，利用平板掃描和光密度分析定量銨濃度。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)顯示，該方法在去離子水和海水中均有效，檢測(cè)范圍為0-3000 μM，檢測(cè)限約20 μM，精度±25 μM。現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證在法國(guó)大西洋沿岸的潮汐泥灘進(jìn)行，與傳統(tǒng)孔隙水提取-分光光度法對(duì)比證實(shí)了其可靠性。技術(shù)成本低廉，適用于淡水和海洋沉積物，為研究銨在早期成巖作用中的空間異質(zhì)性提供了新工具。

 

研究目的

 

解決現(xiàn)有技術(shù)局限：克服傳統(tǒng)孔隙水取樣方法（如離心提取）分辨率低（>毫米級(jí)）、易受細(xì)胞裂解干擾、無法捕捉微環(huán)境異質(zhì)性的問題。

開發(fā)高分辨率銨監(jiān)測(cè)技術(shù)：建立一種基于凝膠的2D-DET方法，實(shí)現(xiàn)沉積物-水界面銨離子的二維分布可視化，以揭示毫米尺度的生物地球化學(xué)過程。

驗(yàn)證技術(shù)適用性：通過實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，評(píng)估該方法在不同介質(zhì)（淡水、海水）和濃度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性及魯棒性。

 

支持機(jī)制研究：結(jié)合其他參數(shù)（如氧滲透深度、營(yíng)養(yǎng)鹽），深化對(duì)銨在沉積物中遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制的理解，尤其在生物擾動(dòng)、微生物活動(dòng)頻繁的沿海生態(tài)系統(tǒng)中。

 

研究思路

研究采用“技術(shù)開發(fā)-優(yōu)化-驗(yàn)證-應(yīng)用”的遞進(jìn)思路：

 

技術(shù)原理設(shè)計(jì)：改編Berthelot反應(yīng)（銨與酚、次氯酸鈉在堿性條件下生成藍(lán)色化合物），將其適配于凝膠薄膜體系。使用瓊脂糖凝膠（避免聚丙烯酰胺的酰胺基干擾）作為擴(kuò)散介質(zhì)，通過雙層試劑凝膠（分別含NaOH/次氯酸鈉和胸腺醇/硝普鈉）分步顯色。

實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化：

 

試劑濃度優(yōu)化：測(cè)試硝普鈉催化劑濃度（0.025-0.056 M）、螯合劑etidonic酸必要性（防止Ca2?/Mg2?沉淀）、胸腺醇濃度（0.012-0.12 M），確定最佳配方（0.025 M硝普鈉、0.12 M胸腺醇、etidonic酸必需）。

 

校準(zhǔn)曲線建立：通過標(biāo)準(zhǔn)溶液（0-3000 μM NH??）與凝膠平衡，掃描后分析紅/綠通道灰度值，建立線性定量關(guān)系（紅通道：0-500 μM，R2=0.996；綠通道：0-3000 μM，R2=0.994）。

 

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證：在Bourgneuf灣潮汐泥灘部署2D-DET探針（平衡3-5小時(shí)），同步采集沉積物柱樣進(jìn)行傳統(tǒng)孔隙水分析（切片-離心-分光光度法），比較銨剖面分布。

 

數(shù)據(jù)整合：結(jié)合氧微電極（Unisense）測(cè)量的氧滲透深度（OPD）及其他孔隙水參數(shù)（Fe、Mn、P、Si等），闡釋銨分布與早期成巖過程的關(guān)系。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來源）

研究測(cè)量了多維度數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

銨離子校準(zhǔn)曲線：

 

意義：紅、綠通道的線性響應(yīng)范圍覆蓋環(huán)境常見銨濃度（0-3000 μM），使技術(shù)兼具高靈敏度（紅通道）和寬量程（綠通道）。etidonic酸的引入消除了海水離子干擾，確保海洋應(yīng)用的準(zhǔn)確性。

 

 

來源：數(shù)據(jù)見圖2（無/有etidonic酸對(duì)比）、圖5（多通道校準(zhǔn)曲線）。

 

試劑優(yōu)化數(shù)據(jù)：

 

意義：胸腺醇濃度測(cè)試（0.06 M vs 0.12 M）表明高濃度（0.12 M）可避免凝膠中甲醇揮發(fā)導(dǎo)致的飽和效應(yīng)，保障顯色線性。硝普鈉濃度無顯著影響，確認(rèn)低劑量（0.025 M）即可催化充分。

 

 

來源：數(shù)據(jù)見圖3（溶液測(cè)試）、圖4（凝膠測(cè)試）。

 

現(xiàn)場(chǎng)銨二維分布：

 

意義：首次實(shí)現(xiàn)沉積物銨的二維可視化，揭示表層（0-2 cm）銨濃度低于檢測(cè)限（<17 μM），隨深度增加至底部（12 cm）達(dá)370-450 μM。分布不均質(zhì)性反映生物擾動(dòng)或局部微生物活動(dòng)熱點(diǎn)。

 

來源：數(shù)據(jù)見圖6A-B（2D掃描及假色圖）、圖6C（與傳統(tǒng)方法剖面對(duì)比）。

 

輔助孔隙水參數(shù)（Fe、Mn、P、Si、SO?2?、堿度）：

 

意義：Mn、Fe在1 cm和3 cm深度分別出現(xiàn)溶出峰，符合電子受體熱力學(xué)序列；Si的雙重溶出區(qū)（表層快循環(huán)、深層慢循環(huán)）指示硅藻生物硅降解；SO?2?減少與堿度增加暗示深層硫酸鹽還原，這些數(shù)據(jù)共同解釋銨積累的成巖背景。

 

來源：數(shù)據(jù)見圖7。

 

研究結(jié)論

 

技術(shù)成功開發(fā)：2D-DET銨探針實(shí)現(xiàn)了沉積物孔隙水銨濃度的毫米級(jí)二維成像，檢測(cè)限低（17 μM）、量程寬（0-3000 μM），且成本低廉、操作簡(jiǎn)便。

可靠性驗(yàn)證：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法吻合，但2D-DET避免了細(xì)胞裂解干擾，可能更準(zhǔn)確反映原位濃度。橫向變異系數(shù)（10%）低于柱樣間差異（50%），表明技術(shù)能更好捕捉微尺度異質(zhì)性。

應(yīng)用潛力廣泛：技術(shù)適用于富營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)（如污水處理廠、水庫沉積物），可結(jié)合其他2D-DET參數(shù)（Fe、P、NO??等）綜合研究元素循環(huán)。

 

機(jī)制啟示：銨在表層缺失可能與Mn氧化物氧化或硝化作用有關(guān)，深層積累受硫酸鹽還原驅(qū)動(dòng)，凸顯多過程耦合影響。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense公司的Clark型氧微電極系統(tǒng)被用于原位測(cè)量沉積物的氧滲透深度（OPD）（方法部分2.4，結(jié)果部分3.6）。OPD指溶解氧從沉積物-水界面向下擴(kuò)散直至耗盡的垂直距離，本研究測(cè)得OPD為1.9 ± 0.3 mm（基于18個(gè)剖面）。

詳細(xì)研究意義如下：

 

界定銨分布的氧化還原背景：Unisense微電極提供的OPD數(shù)據(jù)（~1.9 mm）直接證實(shí)研究點(diǎn)沉積物表層為薄層氧化區(qū)，其下迅速轉(zhuǎn)為厭氧環(huán)境。這解釋了為何2D-DET數(shù)據(jù)顯示銨在0-2 cm深度低于檢測(cè)限：氧化層內(nèi)銨可能被好氧硝化菌快速氧化或以Mn氧化物為電子受體被厭氧氧化（anammox），阻止其積累。OPD的精確測(cè)量為銨的“表層缺失”現(xiàn)象提供了關(guān)鍵環(huán)境證據(jù)。

支撐早期成巖過程解析：OPD與孔隙水參數(shù)（圖7）結(jié)合，構(gòu)建了完整的成巖序列框架：OPD淺層（<2 mm）對(duì)應(yīng)O?和Mn還原帶，與Mn溶出峰（1 cm深度）銜接；其下為Fe還原帶（Fe峰在3 cm），最后是硫酸鹽還原帶（SO?2?下降、堿度上升）。這一梯度表明銨的生成（有機(jī)質(zhì)礦化）和消耗（氧化）過程在垂直空間上解耦，Unisense數(shù)據(jù)幫助定位了這些反應(yīng)區(qū)的邊界。

技術(shù)互補(bǔ)性凸顯：Unisense微電極的高空間分辨率（毫米級(jí)） 和原位實(shí)時(shí)測(cè)量能力，彌補(bǔ)了2D-DET技術(shù)部署時(shí)間較長(zhǎng)（3-5小時(shí)）可能引起的擴(kuò)散擾動(dòng)。OPD數(shù)據(jù)作為“靜態(tài)”化學(xué)環(huán)境的基準(zhǔn)，與2D-DET的“動(dòng)態(tài)”離子分布形成互補(bǔ)，共同揭示物理化學(xué)環(huán)境對(duì)生物地球化學(xué)過程的控制。

 

生態(tài)學(xué)意義：OPD值反映沉積物透氣性，影響生物棲息條件。淺OPD（1.9 mm）表明該泥灘為典型有機(jī)質(zhì)富集、耗氧強(qiáng)烈的環(huán)境，適宜厭氧微生物主導(dǎo)的銨生成。這為理解潮間帶生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)對(duì)缺氧脅迫的響應(yīng)提供了量化指標(biāo)。

 

綜上所述，Unisense氧微電極獲得的OPD數(shù)據(jù)雖未直接參與銨定量，但作為核心環(huán)境背景參數(shù)，為解釋銨的二維分布模式提供了不可或缺的氧化還原上下文。其高精度原位測(cè)量能力使研究者能夠?qū)@的微觀分布與沉積物氧化還原梯度精確關(guān)聯(lián)，深化了對(duì)海岸帶氮循環(huán)機(jī)制的理解。