Redox gradients at the low oxygen boundary of lakes

湖泊低氧邊界層氧化還原梯度

來源：Aquat Sci (2015) 77:81–93

 

摘要內容

該論文研究了瑞士兩個湖泊（Rot湖和Zug湖）水體中氧化/缺氧界面處氧氣的分布及其對生物地球化學循環的影響。摘要指出，研究使用高靈敏度、高空間分辨率的測量技術，發現氧氣分布高度可變，且低至納摩爾濃度范圍的氧氣濃度控制著氮循環以及錳、鐵和甲烷的氧化還原梯度。結果表明，甲烷和錳的氧化確實發生在有氧條件下，傳統上定義的“缺氧區”實際上可能包含廣泛的亞微摩爾氧氣區，這些區域是重要氧化過程的場所。

研究目的

本研究旨在詳細探究湖泊氧化/缺氧界面處氧氣的精細分布，并闡明低濃度氧氣（特別是亞微摩爾乃至納摩爾水平）如何控制關鍵元素（如氮、錳、鐵、甲烷）的生物地球化學循環和轉化路徑。

研究思路

研究采用高精度原位測量與同步采樣的策略：

 

研究地點：選擇兩個具有不同分層特征的瑞士湖泊——季節分層的富營養化Rot湖和永久分層的Zug湖。

原位測量：使用自主研發的剖面原位分析儀（PIA），該儀器集成了基于微光纖傳感器和丹麥Unisense Clark型氧微電極的高靈敏度氧氣傳感器，進行水體剖面的連續高分辨率測量（靈敏度達納摩爾級）。

同步采樣與分析：根據實時氧氣剖面數據，進行目標深度水樣采集，分析硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、溶解態和顆粒態錳/鐵、硫化氫、甲烷、氧化亞氮等化學參數。

 

數據整合：將高分辨率氧氣剖面與化學物種的分布相結合，分析氧化還原過程的熱點及其與氧氣濃度的關系。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

高分辨率氧氣剖面：

 

數據內容：PIA測量顯示，在Rot湖陡峭的氧躍層下方存在一個約1.5米厚、氧氣濃度高度可變（納摩爾至微摩爾）的低氧區（圖2c）。在Zug湖，則觀測到厚度可達數米的亞微摩爾氧氣區（圖5a, d, g）。

研究意義：首次以高分辨率揭示了傳統CTD無法探測的亞微摩爾氧氣區的存在，表明氧化/缺氧界面的實際深度比以往認知的要深。

 

 

數據來源：圖2c（Rot湖），圖5a, d, g（Zug湖）。

 

氮物種分布：

 

數據內容：在Rot湖，硝酸鹽在氧躍層底部急劇減少，伴隨出現明顯的亞硝酸鹽和氧化亞氮峰值（圖3b, e；圖4b）。在Zug湖，銨鹽梯度在氧化/缺氧界面附近終止，并伴有亞硝酸鹽峰值（圖5b, e, h）。

研究意義：表明硝化、反硝化等氮轉化過程與特定的低氧濃度密切相關，其發生位置與氧化/缺氧界面緊密關聯。

 

 

數據來源：圖3b, e；圖4b（Rot湖）；圖5b, e, h（Zug湖）。

 

甲烷、錳、鐵的氧化還原梯度：

 

數據內容：在兩個湖泊中，溶解態甲烷和錳的向上擴散梯度均在氧化/缺氧界面處終止，表明其被氧化（圖3e, f；圖4b, c, f；圖5c, f, i；圖6）。顆粒態錳在界面附近出現峰值。

研究意義：直接證明甲烷和錳的氧化發生在亞微摩爾濃度的氧氣環境中，挑戰了這些過程需要較高氧氣濃度或依賴厭氧路徑的傳統觀點。

 

數據來源：圖3e, f；圖4b, c, f（Rot湖）；圖5c, f, i；圖6（Zug湖）。

 

電子平衡計算：

 

數據內容：基于化學梯度的電子當量計算（表1）顯示，在Zug湖，向上擴散的還原性物質（CH?, Mn2?, NH??）消耗的氧氣約占向下氧氣通量的70%。

研究意義：量化了低氧區在湖泊氧化還原預算中的重要性，表明亞微摩爾氧氣區是生物地球化學活躍的熱點區域。

 

數據來源：表1。

 

結論

 

湖泊氧化/缺氧界面處存在廣泛且動態的亞微摩爾（甚至納摩爾）濃度氧氣區，其厚度和結構可變。

氮轉化（如硝化、反硝化）、甲烷氧化和錳氧化等關鍵過程與這些低濃度氧氣區密切相關，表明氧氣在納摩爾水平仍能有效驅動氧化反應。

傳統上以1 μmol/L O?作為缺氧界限的標準至少高估了一個數量級，無法準確描述自然系統中的氧化還原相互作用。

 

在Rot湖，氧躍層下方的低氧區在白天出現氧氣積累，表明深水光合作用可能為該區域的化能氧化過程提供了重要的氧化劑來源。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司生產的Clark型氧微電極（型號Ox-25），其測量數據具有至關重要的研究意義：

 

實現納摩爾級靈敏度的原位測量：Unisense氧微電極與微光纖傳感器共同集成在PIA上，提供了遠超傳統CTD（檢測限~1 μmol/L）的靈敏度（檢測限達~10 nmol/L）。這種極高的靈敏度是發現和界定亞微摩爾氧氣區（圖2c, 圖5a, d, g）的直接技術基礎。沒有這種精度的測量，這些廣泛存在的低氧層將無法被探測到。

精確關聯氧化過程與氧氣閾值：Unisense電極提供的高分辨率氧氣數據，使得研究者能夠將甲烷氧化、錳氧化等過程精確地定位到特定的氧氣濃度范圍。數據顯示，這些氧化過程在氧氣濃度低至約200 nmol/L甚至更低時仍在進行（圖3e, f；圖6）。這提供了確鑿的證據，證明這些是好氧過程，而非厭氧途徑，從根本上修正了對這些生物地球化學過程發生條件的理解。

揭示氧化/缺氧界面的真實結構與動態：Unisense電極數據揭示了氧化/缺氧界面并非一個尖銳的邊界，而是一個厚度可達數米、內部存在氧氣峰值和谷值的復雜過渡帶（圖2c, 圖5）。這種精細結構表明該界面是動態的，可能受到側向輸送、局部生物活動（如光合作用）等多種過程的影響，強調了界面過程的復雜性。

 

支撐關鍵科學結論：Unisense電極的測量數據是支撐本研究核心結論——即“傳統1 μmol/L的缺氧閾值過高，納摩爾級氧氣仍能驅動重要氧化過程”——的最直接、最關鍵的實驗證據。它使量化電子平衡（表1）和重新評估“低氧”或“亞氧”區的生態化學功能成為可能。

 

圖1 Rot湖(a)和Zug湖(b)的同步剖面，顯示了物理梯度和氧氣分布，虛線指示低至亞微摩爾氧氣濃度區

總之，Unisense氧微電極在本研究中扮演了“高精度偵察器”的角色。其提供的納摩爾級分辨率氧氣數據，不僅是實現技術突破的關鍵，更是推動科學認識飛躍的核心——它讓我們看到了之前“看不見”的氧氣世界，并在此基礎上重新描繪了湖泊氧化/缺氧界面的生物地球化學圖景，極大地深化了對水體元素循環機制的理解。