Effects of CO2 enrichment on benthic primary production and inorganic nitrogen fluxes in two coastal sediments

沿海沉積物中CO2富集對底棲生物初級產(chǎn)量和無機氮通量的影響

來源：Scientific Reports（2018年）

 

論文總結(jié)

1. 摘要核心內(nèi)容

研究了海洋酸化（CO2富集）對兩種沿海沉積物—河口砂（estuarine sand）和亞潮汐淤泥（subtidal silt）—中底棲初級生產(chǎn)和無機氮通量的影響。通過實驗室培養(yǎng)實驗，作者發(fā)現(xiàn)CO2富集（pH從8.1降至7.9）顯著增強了底棲微藻的光合作用，并逆轉(zhuǎn)了沉積物-海水的硝酸鹽/亞硝酸鹽（NOx-）通量方向。在淤泥中，NOx-從初始的 efflux（釋放）轉(zhuǎn)變?yōu)?influx（吸收），而河口砂則釋放更多銨（NH4+）。這些變化表明CO2富集可能通過增強微藻生長，競爭NH4+并抑制硝化作用，導(dǎo)致無機氮在沉積物中滯留，從而加劇沿海富營養(yǎng)化壓力。

2. 研究目的

本研究的主要目的是：

 

量化CO2富集的影響：評估海洋酸化對沉積物-海水界面氧氣（O2）和無機氮（NH4+和NOx-）通量的影響。

揭示機制：探究底棲微藻光合作用增強如何改變氮循環(huán)過程，特別是與硝化作用和反硝化作用的耦合。

 

比較沉積物類型：對比滲透性河口砂和 cohesive 亞潮汐淤泥對CO2擾動的響應(yīng)差異，以預(yù)測不同沿海環(huán)境的生物地球化學(xué)變化。

 

3. 研究思路

研究采用實驗室控制實驗設(shè)計：

 

樣品采集與處理：從新西蘭北島沿海采集河口砂和亞潮汐淤泥的完整巖心，在實驗室中 submerged 于再循環(huán)海水系統(tǒng)（圖1）。系統(tǒng)分為控制組（pH 8.1）和處理組（pH 7.9），pH通過CO2富集空氣調(diào)節(jié)。

 

培養(yǎng)與測量：實驗持續(xù)55天，初始（第7天）和最終（第55天）測量沉積物-海水通量。通量測量在光暗條件下進行，包括：

 

氧氣通量（TOU）：使用化學(xué)光學(xué)傳感器測量總O2攝取。

無機氮通量：通過水樣分析測量NH4+和NOx-通量。

 

孔隙水氧合：使用Unisense微電極測量O2垂直剖面（高分辨率）。

 

數(shù)據(jù)分析：采用重復(fù)測量PERMANOVA統(tǒng)計模型，分析pH、時間、光暗 regime 對通量的影響（表2）。

 

 

4. 測量數(shù)據(jù)、來源及其研究意義

本研究測量了多維度數(shù)據(jù)，其具體來源和科學(xué)意義如下：

4.1 海水無機氮數(shù)據(jù)（來自 表1）

 

數(shù)據(jù)：海水NH4+和NOx-濃度在實驗期間變化。處理組（pH 7.9）的NOx-保留率更高（最終濃度為初始的82%），而對照組（pH 8.1）NOx-損失97%。

 

研究意義：表明CO2富集減少了海水無機氮的損失，可能由于沉積物氮滯留增強，影響pelagic生產(chǎn)力。

 

4.2 沉積物氧氣通量（TOU）數(shù)據(jù)（來自 圖2）

 

數(shù)據(jù)：河口砂的TOU在光暗條件下相似，但處理組最終TOU_light下降；淤泥的TOU_dark增加，處理組TOU_light變?yōu)樨?fù)值（O2釋放）。

 

研究意義：CO2富集增強了底棲光合作用（尤其淤泥），導(dǎo)致凈自養(yǎng)狀態(tài)（BTSI指數(shù)變化），改變氧化還原平衡。

 

4.3 銨（NH4+）通量數(shù)據(jù)（來自 圖3）

 

數(shù)據(jù)：河口砂在處理組最終釋放更多NH4+（黑暗條件下）；淤泥在處理組顯示NH4+吸收增強（光條件下）。

 

研究意義：表明微藻競爭NH4+，抑制硝化作用，導(dǎo)致NH4+積累或吸收變化，影響氮循環(huán)路徑。

 

4.4 硝酸鹽/亞硝酸鹽（NOx-）通量數(shù)據(jù)（來自 圖4）

 

數(shù)據(jù)：河口砂維持NOx-吸收；淤泥在處理組從NOx-釋放逆轉(zhuǎn)為吸收。

 

研究意義：CO2富集抑制硝化作用，減少NOx-生產(chǎn)，增強微藻吸收，導(dǎo)致氮滯留。

 

4.5 孔隙水氧合數(shù)據(jù)（來自 圖5 和 表3）

 

 

數(shù)據(jù)：Unisense微電極測量顯示，淤泥在處理組光條件下O2滲透深度（OPD）增加（從6.3mm to 9.4mm），黑暗OPD減少。

 

研究意義：光合作用增強導(dǎo)致孔隙水O2超飽和，抑制硝化作用和反硝化作用，改變氮轉(zhuǎn)化效率。

 

4.6 統(tǒng)計摘要數(shù)據(jù)（來自 表2）

 

數(shù)據(jù)：PERMANOVA分析顯示pH、光暗和時間對通量有顯著交互作用（如pH對NOx-通量影響p<0.05）。

 

研究意義：證實CO2富集效應(yīng)顯著，且沉積物響應(yīng)差異由微生物活動驅(qū)動。

 

5. 結(jié)論

論文得出以下核心結(jié)論：

 

CO2富集增強光合作用：底棲微藻生長增加，尤其在水淤泥中，導(dǎo)致O2釋放和氮吸收增強。

氮通量逆轉(zhuǎn)：淤泥中NOx-從釋放變?yōu)槲眨涌谏癗H4+釋放增加，表明硝化作用抑制和氮滯留。

機制驅(qū)動：微藻競爭NH4+和光合作用引起的孔隙水氧合波動抑制了氨氧化細(xì)菌（AOB）活性，減少硝化作用和耦合反硝化。

 

生態(tài)意義：CO2富集可能減少氮損失（如反硝化），增加沿海系統(tǒng)氮滯留，加劇富營養(yǎng)化。

 

6. 詳細(xì)解讀：使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本研究中，丹麥Unisense公司的微電極系統(tǒng)被用于高分辨率測量沉積物孔隙水的氧氣濃度剖面（方法部分2.3節(jié)），主要生成圖5的數(shù)據(jù)和表3的O2滲透深度（OPD）。

測量數(shù)據(jù)描述：Unisense微電極（Clark型，尖端直徑50-100 μm）以100 μm分辨率測量了孔隙水O2垂直分布，在光暗條件下進行。數(shù)據(jù)揭示了O2濃度從沉積物-水界面到anoxic區(qū)的梯度變化，并計算了OPD（O2滲透深度）。

詳細(xì)研究意義解讀：

 

量化光合作用效應(yīng)：微電極數(shù)據(jù)直接顯示，在光條件下，淤泥孔隙水O2濃度超飽和（峰值~300 μM），OPD增加（處理組從6.3mm to 9.4mm），而黑暗OPD較低（~4.2mm）。這證實了CO2富集顯著增強底棲光合作用，為O2通量變化提供了機制證據(jù)。

揭示氧化還原動力學(xué)：高分辨率剖面顯示光暗循環(huán)導(dǎo)致孔隙水O2劇烈波動（圖5），表明微藻活動改變了氧化還原邊界。這抑制了硝化作用（需氧過程），因為AOB在O2波動環(huán)境中活性降低，同時減少了反硝化（缺氧過程），因O2滲透加深。

支持氮通量解釋：OPD增加和O2波動解釋了NOx-通量逆轉(zhuǎn)：硝化作用抑制減少NOx-生產(chǎn)，而微藻吸收增加NOx-消耗。微電極數(shù)據(jù)直接鏈接了物理化學(xué)變化與生物地球化學(xué)響應(yīng)，增強了結(jié)論可靠性。

方法學(xué)優(yōu)勢：Unisense微電極提供毫米級分辨率，能捕獲孔隙水細(xì)微變化，這是傳統(tǒng)采樣無法實現(xiàn)的。其高精度和實時測量避免了樣品擾動，確保了數(shù)據(jù)真實性。

 

生態(tài)啟示：這些測量表明，CO2富集通過改變微尺度氧合環(huán)境，影響微生物群落功能，最終調(diào)控氮循環(huán)。這強調(diào)了孔隙水動力學(xué)在預(yù)測沿海生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化中的關(guān)鍵作用。

 

總之，Unisense微電極在本研究中充當(dāng)了“孔隙水顯微鏡”的角色，其數(shù)據(jù)是連接CO2富集、光合作用增強和氮通量變化的核心證據(jù)。沒有這些高分辨率測量，研究無法準(zhǔn)確解析機制或預(yù)測生態(tài)后果，突出了微電極技術(shù)在沉積生物地球化學(xué)研究中的不可替代性。