Meiofauna improve oxygenation and accelerate sulfide removal in the seasonally hypoxic seabed  

小型底棲動物改善季節(jié)性缺氧海床的氧合作用并加速硫化物去除  

來源：Marine Environmental Research, Volume 159, Article 104968, 2020

《海洋環(huán)境研究》第159卷，文章編號104968，2020年  

 

摘要內(nèi)容

 

本研究通過模擬波羅的海季節(jié)性缺氧沉積物環(huán)境，探究小型底棲動物（meiofauna）對沉積物氧合作用、硫化物去除及微生物群落的影響。實(shí)驗(yàn)通過建立小型底棲動物豐度梯度（對照、低、中、高），結(jié)合孔隙水微剖面（O?、H?S、pH）監(jiān)測、溶質(zhì)通量計算及微生物群落分析，發(fā)現(xiàn)：  

1. 高豐度小型底棲動物顯著增加氧氣滲透深度（OPD）：第5天OPD加深85%（圖3A），擴(kuò)大氧化沉積物體積68%（圖3B）；  

 

2. 加速硫化物去除：第6天硫化物通量從8.8 mmol m?2 d?1降至0.4 mmol m?2 d?1（圖4）；  

 

3. 與電纜細(xì)菌共存：二者形成中性共生關(guān)系，協(xié)同促進(jìn)硫化物氧化（表1）；  

 

4. 改變微生物群落結(jié)構(gòu)：顯著影響β多樣性（圖5），富集硫氧化菌（如假單胞菌屬）。  

 

研究目的

 

1. 量化小型底棲動物豐度對沉積物氧合作用（O?滲透深度）和硫化物動態(tài)的影響；  

2. 探究小型底棲動物與電纜細(xì)菌（cable bacteria）的相互作用機(jī)制；  

3. 分析小型底棲動物生物擾動對微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。  

 

研究思路

 

1. 采樣與實(shí)驗(yàn)設(shè)計：  

   ? 采集波羅的海77米深缺氧沉積物巖心，建立小型底棲動物豐度梯度（對照：128 ind.·10?3 m?2；高豐度：2030 ind.·10?3 m?2）（圖1）；  

 

   ? 進(jìn)行3周培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，每周測量孔隙水微剖面（O?、H?S、pH）。  

 

2. 關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測：  

   ? 孔隙水化學(xué)：Unisense微電極記錄O?滲透深度（OPD）、硫化物層深度、pH剖面（圖2）；  

 

   ? 溶質(zhì)通量：基于Fick定律計算O?和ΣH?S通量（圖4）；  

 

   ? 微生物分析：16S rRNA測序評估群落結(jié)構(gòu)（圖5），F(xiàn)ISH定量電纜細(xì)菌豐度（表1）。  

 

3. 統(tǒng)計驗(yàn)證：  

   ? 重復(fù)測量ANOVA檢驗(yàn)處理間差異（表2）；  

 

   ? NMDS和PERMANOVA分析微生物群落變化（圖5）。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 孔隙水微剖面（圖2、圖3）：  

   ? 數(shù)據(jù)：O?滲透深度（OPD）在高豐度處理中增加85%（5天）、硫化物層深度加深至6.4 mm（第6天）。  

 

   ? 研究意義：量化小型底棲動物生物擾動對氧化還原界面的調(diào)控，揭示其擴(kuò)大氧化沉積物體積的機(jī)制。  

 

2. 溶質(zhì)通量（圖4）：  

   ? 數(shù)據(jù)：高豐度處理第6天ΣH?S通量降至0.4 mmol m?2 d?1（對照為8.8 mmol m?2 d?1）。  

 

   ? 研究意義：證實(shí)小型底棲動物抑制硫化物釋放，降低底棲毒性風(fēng)險。  

 

3. 微生物群落（圖5、表1）：  

   ? 數(shù)據(jù)：β多樣性顯著改變（PERMANOVA, p=0.001），電纜細(xì)菌豐度無差異（113 m cm?2）。  

 

   ? 研究意義：揭示小型底棲動物通過生物擾動影響硫氧化菌群（如假單胞菌屬），促進(jìn)硫循環(huán)。  

 

結(jié)論

 

1. 氧合作用增強(qiáng)：小型底棲動物通過生物擾動增加孔隙度，使OPD加深85%，氧化沉積物體積擴(kuò)大68%。  

2. 硫化物去除加速：高豐度處理6天內(nèi)硫通量降低95%，與電纜細(xì)菌協(xié)同氧化硫化物。  

3. 微生物群落調(diào)控：改變微生物β多樣性，富集硫氧化功能菌群。  

4. 生態(tài)意義：在缺氧海床中，小型底棲動物是關(guān)鍵的“生態(tài)系統(tǒng)工程師”，通過抑制硫化物釋放支持大型底棲生物復(fù)蘇。  

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（OX-50、pH-100、H?S-100傳感器配合MM33微操縱器）在本研究中用于高分辨率監(jiān)測沉積物孔隙水化學(xué)梯度，其核心研究意義如下：  

1. 精準(zhǔn)定位氧化還原界面：  

   ? 以100 μm垂直分辨率測定O?滲透深度（OPD）和硫化物層深度（圖2），揭示小型底棲動物使OPD從0.8 mm增至2.3 mm（圖3A），硫化物出現(xiàn)深度從3.8 mm延至6.4 mm（圖3B）。  

 

   ? 意義：提供毫米級精度的氧化還原邊界數(shù)據(jù)，量化生物擾動對沉積物氧化容量的影響。  

 

2. 識別電纜細(xì)菌活動信號：  

   ? 檢測到pH特征峰（表層pH 8.3，深層pH 6.4）（圖2），符合電纜細(xì)菌電硫氧化（e-SOx）的質(zhì)子遷移特征。  

 

   ? 意義：間接驗(yàn)證電纜細(xì)菌的空間代謝分工，明確其與小型底棲動物的共生關(guān)系。  

 

3. 計算溶質(zhì)擴(kuò)散通量：  

   ? 基于O?和H?S濃度梯度（結(jié)合孔隙度、分子擴(kuò)散系數(shù)D?及生物擴(kuò)散系數(shù)D_b），計算溶質(zhì)通量（圖4）。  

 

   ? 意義：量化硫化物通量從8.8降至0.4 mmol m?2 d?1的生物調(diào)控效應(yīng)，揭示小型底棲動物減少毒性硫釋放的生態(tài)功能。  

 

4. 技術(shù)優(yōu)勢：  

   ? 原位無損測量：避免沉積物采樣擾動，保持自然化學(xué)梯度；  

 

   ? 動態(tài)過程解析：連續(xù)3周監(jiān)測（324條剖面），捕捉生物擾動與微生物活動的協(xié)同演化（如第15天電纜細(xì)菌主導(dǎo)硫氧化）。  

 

   ? 應(yīng)用價值：為缺氧沉積物修復(fù)策略（如生物擾動增強(qiáng)）提供高精度評估工具。