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

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

 

摘要內容

這篇研究了亞熱帶巴西沿海沉積物中有機碳礦化的途徑及其與大型底棲動物生物擾動的關系。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%，但關于亞熱帶地區的數據很少。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現，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均未檢測到。反硝化作用貢獻了5-27%。氧化還原剖面顯示夏季沉積物氧化程度更高，這與有機質反應性低、小型宏體動物生物灌溉增強有關。生物擾動通過調節電子受體的輸送和氧化還原條件，在調控碳礦化途徑中起關鍵作用。

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），并評估大型底棲動物生物擾動活動對這些途徑的季節性影響。

研究思路

研究采用現場采樣與室內實驗相結合的策略：

 

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

現場測量與采樣：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）。

室內培養與通量測量：將完整沉積物柱芯在實驗室黑暗條件下培養3-5天，測量沉積物-水界面的TCO?、O?、營養鹽（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：鑒定和計數底棲宏體動物，估算群落呼吸，并通過溴化物示蹤法計算生物灌溉速率。

厭氧培養實驗：進行沉積物厭氧（jar）培養，測定不同深度的TCO?產生速率、鐵還原速率等。

 

數據整合與預算分析：結合通量測量、厭氧培養結果和宏體動物代謝數據，構建碳礦化途徑的預算。

 

測量數據及研究意義（注明數據來源）

 

沉積物-水界面通量（TCO?, O?, NH??, NO??）：

 

數據內容：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為夏季的凈釋放。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的季節性變化，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。

 

數據來源：表1提供了各站點在兩個季節的平均通量值。

 

氧化還原電位垂直剖面：

 

數據內容：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深處出現負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差異，表明冬季沉積物更還原，而夏季氧化性更強。這為解釋碳礦化途徑的季節轉換提供了關鍵環境背景。

 

數據來源：圖1展示了兩個季節各站點的氧化還原電位垂直剖面。

 

微生物反應速率（厭氧培養）：

 

數據內容：厭氧培養實驗測得的TCO?產生速率隨深度降低。鐵還原速率在夏季沉積物上層（0-10cm）非常高（最高達646 nmol cm?3 d?1）。硫酸鹽還原在任何站點或季節均未檢測到。

研究意義：直接證明了鐵還原是該區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。這挑戰了傳統認知，突出了區域特殊性。

 

數據來源：圖2展示了TCO?產生、NH??產生和鐵還原速率的垂直分布。

 

孔隙水溶質剖面（TCO?, NH??, SO?2?, Fe2?）：

 

數據內容：孔隙水TCO?和NH??濃度一般隨深度增加。SO?2?濃度穩定（21-30mM），無消耗跡象。Fe2?在冬季出現亞表層峰值（最高50μM）。

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

 

數據來源：圖3展示了孔隙水溶質的垂直剖面。

 

固體相活性鐵含量：

 

數據內容：活性Fe(II)含量通常高于Fe(III)，并在亞表層（4-8cm）出現富集。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。

 

數據來源：圖4展示了固體相Fe(II)和Fe(III)的垂直分布。

 

宏體動物群落與生物灌溉：

 

數據內容：宏體動物豐度和生物量在夏季（1297-1777 ind m?2；245-3029 mg m?2）遠高于冬季（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：將生物擾動的強度與沉積物氧化狀態（夏季更氧化）聯系起來，表明高密度的宏體動物（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。

 

 

數據來源：宏體動物數據總結于表2；溴化物剖面及生物灌溉計算見圖5。

 

結論

 

鐵還原主導厭氧碳礦化：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，貢獻了相當大比例的總微生物碳礦化，而硫酸鹽還原作用可忽略不計。

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

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

 

機制總結：上升流和冷鋒事件等環境因素通過改變水體條件、初級生產力和有機質輸入，間接影響沉積物生物地球化學過程和宏體動物群落，最終導致碳礦化途徑的季節性動態。

 

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公司生產的氧化還原電位（Eh）微電極測量了沉積物剖面的數據，這些數據具有至關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證據：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取樣方法的擾動，精確地“可視化”了沉積物-水界面的化學微環境梯度。本研究中最關鍵的發現之一——冬季沉積物處于強還原狀態而夏季氧化性增強——完全依賴于Unisense電極提供的直觀、可靠的Eh剖面證據。

定量界定氧化還原分層與關鍵界面：通過Eh數據，研究者可以準確定義氧化層厚度（如Eh>0mV或Eh>200mV的深度）。數據顯示，冬季氧化層極薄（<0.2mm），而夏季可達數毫米。這一量化指標是理解氧化劑（如O?）滲透深度和厭氧過程起始位置的基礎，直接將物理化學環境與微生物活動區域聯系起來。

直接關聯環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速率（圖2）高度吻合。例如，冬季普遍更負的Eh值與觀測到的高鐵還原速率相一致，因為強還原環境有利于鐵還原菌的活動。夏季更氧化的Eh剖面則與有氧呼吸貢獻增加相符。因此，Eh數據為解釋為何鐵還原而非硫酸鹽還原成為主導厭氧過程提供了最直接的環境化學解釋：沉積物條件更有利于鐵循環。

揭示生物擾動的生態效應：夏季更氧化的Eh剖面與當時更高的宏體動物豐度和生物灌溉速率（表2，圖5）同時出現。這強有力地表明，小型宏體動物通過生物灌溉將氧氣泵入沉積物，是導致夏季沉積物氧化性增強的主要原因。Unisense電極數據 thus 充當了連接生物活動（生物擾動）與地球化學響應（氧化還原條件改變）之間的橋梁，闡明了生物擾動調控碳礦化途徑的內在機制。

 

支撐碳礦化途徑的預算分析：在構建碳礦化途徑預算（表3）時，對沉積物氧化還原狀態的準確判斷至關重要。Unisense Eh剖面提供的季節對比數據，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測量值，而是整個研究故事線的核心證據鏈。其高分辨率、原位的測量結果，使得研究者能夠超越推測，從機理層面令人信服地揭示了巴西沿海沉積物獨特的碳礦化特征（鐵還原主導）及其受生物擾動和季節調控的動態過程，極大地增強了對亞熱帶沿海生態系統生物地球化學循環的理解。