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研究簡(jiǎn)介:本研究報(bào)道了在太平洋深淵海床上進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)，揭示了深海沉積物中一種名為“暗氧產(chǎn)生”（DOP）的新現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在Nauru Ocean Resources Inc.(NORI)-D許可區(qū)域的克拉里昂-克利珀頓區(qū)（CCZ）進(jìn)行的原位底棲室實(shí)驗(yàn)，觀察到氧氣濃度在兩天內(nèi)增加了三倍以上，超過(guò)了背景濃度。這一現(xiàn)象與多金屬結(jié)核的存在相關(guān)，這些結(jié)核表面具有高達(dá)0.95V的高電壓勢(shì)，提示海水電解可能是DOP的一個(gè)來(lái)源。實(shí)驗(yàn)中，研究人員排除了實(shí)驗(yàn)操作、空氣氣泡和塑料室材料對(duì)氧氣產(chǎn)生的影響，并通過(guò)獨(dú)立測(cè)量確認(rèn)了DOP的存在。他們還提出了“地質(zhì)電池”假說(shuō)，即結(jié)核層間的電位差可能引起電子重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。這一發(fā)現(xiàn)與所有已發(fā)表的深海沉積物氧氣通量研究結(jié)果不同，表明DOP可能為深海呼吸作用提供氧氣。本研究強(qiáng)調(diào)了理解DOP機(jī)制的重要性，這不僅有助于人們更好地理解深淵海洋生態(tài)系統(tǒng)，還可能對(duì)深海采礦活動(dòng)產(chǎn)生影響。深海采礦可能會(huì)改變結(jié)核上的沉積物分布，進(jìn)而影響DOP活動(dòng)。因此，未來(lái)的研究需要進(jìn)一步探索DOP的時(shí)間性質(zhì)和空間分布，以及它在地球歷史中金屬氧化物沉積、生物進(jìn)化和地球氧化過(guò)程中的作用。
unisense水下原位培養(yǎng)箱的應(yīng)用
海底O2微剖面是在5E巡航期間部署AKS313、AKS316、AKS318和AKS321著陸器期間使用安裝在距海底室<0.5 m處的UNISENSE深海微剖面裝置制作的。使用20 cm O 2微型傳感器以0.05 mm的步長(zhǎng)穿透沉積物來(lái)制作微觀剖面。微傳感器在著陸器部署前2小時(shí)在原位溫度(1.6°C)、0%和100%O 2飽和度下進(jìn)行校準(zhǔn)。在每個(gè)采樣深度，微傳感器在每次測(cè)量之前停止5秒。然后傳感器記錄了五個(gè)單獨(dú)的O 2濃度測(cè)量值。對(duì)每個(gè)深度點(diǎn)取這五次測(cè)量的平均值?；贠 2濃度與O2開始耗盡的深度的斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)手動(dòng)確定沉積物表面。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
研究人員在太平洋深淵海床的多金屬結(jié)核覆蓋區(qū)域通過(guò)原位底棲室實(shí)驗(yàn)觀察到了暗氧產(chǎn)生現(xiàn)象，即在沒有光合作用的情況下，氧氣濃度出現(xiàn)了凈增加。研究發(fā)現(xiàn)DOP（暗氧）與多金屬結(jié)核的存在密切相關(guān)。結(jié)核表面具有高電壓勢(shì)，這提示了海水電解可能是DOP的一個(gè)可能機(jī)制。研究者提出了“地質(zhì)電池”假說(shuō)，即結(jié)核層間的金屬離子電位差可能導(dǎo)致電子內(nèi)部重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。通過(guò)在CCZ的多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)DOP不是孤立現(xiàn)象，而是在多個(gè)地點(diǎn)都有發(fā)生，表明這一過(guò)程可能在深淵海床中有廣泛的分布。DOP可能為深海海底的呼吸作用提供氧氣，這對(duì)于深海生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。同時(shí)深海采礦活動(dòng)可能會(huì)影響結(jié)核上的沉積物分布，進(jìn)而影響DOP活動(dòng)，對(duì)深海環(huán)境造成潛在影響。
圖1、a–c，原位海底艙著陸器部署是在5D(a)、5E(b)和7A(c)巡航至NORI-D許可區(qū)域期間進(jìn)行的。所有孵化實(shí)驗(yàn)中都存在結(jié)節(jié)。5D圖(a)中的綠色調(diào)、藍(lán)色調(diào)和紅線分別表示死藻生物質(zhì)、溶解的無(wú)機(jī)碳，NH4+和過(guò)濾的海水處理。AKS279-Ch.3中光極數(shù)據(jù)的間隙是由于光極定期不記錄數(shù)據(jù)造成的。黑線表示AKS273 5D巡航期間在底棲室外部測(cè)得的環(huán)境O 2濃度。5E(b)和7A(c)圖中的綠色和黃色色調(diào)線分別表示死藻生物量和對(duì)照（無(wú)注射）處理。在28、38和47 h的一些O2濃度分布圖中看到的小幅下降是由于用50 ml海水稀釋了腔室水造成的，海水通過(guò)1.5 m（0.25 cm直徑）從外部夾帶到腔室中。當(dāng)注射器采樣器從室內(nèi)采集海水樣品時(shí)打開管子。在5D和7A實(shí)驗(yàn)的前2小時(shí)內(nèi)測(cè)得的恒定O2濃度是由于攪拌器關(guān)閉1小時(shí)以使底物（例如死藻生物質(zhì)）下沉到沉積物表面。在5E探險(xiǎn)期間，從著陸器部署的那一刻起，直到著陸器返回且攪拌器的電源斷開為止，攪拌器一直處于打開狀態(tài)。
圖2、克拉里昂-克利珀頓區(qū)（CCZ）內(nèi)的底棲室著陸器和多管取樣器部署位置底棲室著陸器（BCL）在APEIs 1、4和7（西CCZ）、UK1和OMS以及NORI-D（星號(hào)）的部署位置（a），以及NORI-D的兩個(gè)區(qū)域（Collector Test Area或CTA和Preservation Reference Zone或PRZ）（b-d）的中央深淵太平洋。圖c中還顯示了多管取樣器（MUC）的部署位置，該取樣器在5D航次期間采集了用于5D航次期間進(jìn)行的原位實(shí)驗(yàn)的沉積物樣本。
圖3、在NORI-D底棲室著陸器實(shí)驗(yàn)期間通過(guò)Winkler滴定法測(cè)量的水樣中的氧氣濃度在不同處理下，定期從室內(nèi)收集的水樣中通過(guò)微Winkler分析測(cè)量的平均氧氣濃度（μmol L?1）。處理包括5D（A）、5E（E）和7A（G）航次期間的死亡藻類生物質(zhì)，5D航次期間的DIC+NH4+（B），5D航次期間的0.45-μm過(guò)濾海水（C），以及5D（D）、5E（F）和7A（H）航次期間的對(duì)照（無(wú)注射）。
圖4、在UK1和OMS許可區(qū)域以及APEIs 1、4和7進(jìn)行的底棲室著陸器實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的氧電極濃度。在2015年UK1和OMS許可區(qū)域以及2018年6月西CCZ的APEIs 1、4和7進(jìn)行的36小時(shí)深淵（4037-5216米）原位底棲室著陸器實(shí)驗(yàn)中記錄的氧電極讀數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)與在NORI-D進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相同。2015年和2018年實(shí)驗(yàn)中記錄的O2濃度是基于4-6個(gè)月前進(jìn)行的工廠校準(zhǔn)得出的，因?yàn)樵诖蠠o(wú)法復(fù)制原位溫度進(jìn)行氧電極校準(zhǔn)。因此只能解釋O2濃度的相對(duì)變化。
圖5、條形圖顯示了在原位外沉積物芯中的總凈O2產(chǎn)生。在5D航次期間進(jìn)行的48小時(shí)原位外孵化中，沉積物芯（n=1-3）暴露于各種處理下的總凈O2產(chǎn)生（μmol O2 core?1）。O2產(chǎn)生是通過(guò)計(jì)算t=0小時(shí)和48小時(shí)之間覆蓋沉積物的水相中O2濃度的差異來(lái)確定的，同時(shí)考慮了芯體積。圖中也顯示了作為條形圖上方數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)別通量。
結(jié)論與展望
本研究在太平洋克拉里昂-克利珀頓區(qū)（CCZ）的深淵海床進(jìn)行了一系列的原位底棲室實(shí)驗(yàn)，揭示了深海海底多金屬結(jié)核覆蓋區(qū)域存在一種新的氧氣產(chǎn)生機(jī)制——暗氧產(chǎn)生（DOP）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在沒有光合作用的情況下，海底沉積物中的氧氣濃度出現(xiàn)了顯著增加，這一現(xiàn)象與海底多金屬結(jié)核的存在密切相關(guān)。UNISENSE原位培養(yǎng)箱裝置的微剖面數(shù)據(jù)揭示了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氧氣濃度在沉積物中不僅沒有減少，反而出現(xiàn)了凈增加的現(xiàn)象，即DOP（暗氧）。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解深海生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣循環(huán)具有重要意義研究者通過(guò)排除實(shí)驗(yàn)操作、空氣氣泡和塑料室材料等可能的影響因素，確認(rèn)了DOP的存在。此外，結(jié)核表面存在的高電壓勢(shì)（高達(dá)0.95V）提示了海水電解可能是DOP的一個(gè)重要機(jī)制。研究還提出了“地質(zhì)電池”假說(shuō)，即結(jié)核層間的金屬離子電位差可能導(dǎo)致電子內(nèi)部重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。UNISENSE原位培養(yǎng)箱結(jié)合的深海微剖面裝置被用于進(jìn)行海底氧氣微剖面測(cè)量，通過(guò)使用氧氣微傳感器，UNISENSE深海微剖面裝置能夠穿透沉積物，并在不同深度測(cè)量氧氣濃度。這有助于研究者了解沉積物-水界面處以及沉積物內(nèi)部的氧氣梯度。本研究的結(jié)論強(qiáng)調(diào)了DOP作為一種新的深海氧氣產(chǎn)生機(jī)制的發(fā)現(xiàn)，其與多金屬結(jié)核的潛在聯(lián)系，以及這一發(fā)現(xiàn)對(duì)深海生態(tài)系統(tǒng)和未來(lái)深海采礦活動(dòng)的潛在影響。
