近日，由新西蘭奧克蘭理工大學(xué)主導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，借助丹麥KC-Denmark公司生產(chǎn)的多通道柱狀采泥器，在可控實(shí)驗(yàn)條件下模擬中等沉積負(fù)荷，系統(tǒng)研究了開(kāi)放海域網(wǎng)箱養(yǎng)殖有機(jī)顆粒物對(duì)黏性沉積物氧化狀態(tài)的影響，為深海養(yǎng)殖環(huán)境評(píng)估提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

研究背景

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖從近海向開(kāi)闊海域發(fā)展，養(yǎng)殖產(chǎn)生的有機(jī)顆粒在水流作用下擴(kuò)散范圍更廣、沉降濃度更低。以往研究多關(guān)注高濃度有機(jī)沉積導(dǎo)致的海洋底床缺氧問(wèn)題，但對(duì)于中等濃度有機(jī)輸入如何影響海底沉積物的氧氣狀況，目前了解仍不充分。黏性沉積物是深海常見(jiàn)的底質(zhì)類(lèi)型，其氧氣交換主要依靠分子擴(kuò)散，而生物擾動(dòng)作用較弱。在這樣的環(huán)境下，中等程度的有機(jī)物質(zhì)沉降是否會(huì)明顯改變沉積物的氧氣狀態(tài)，是否會(huì)促使微生物在表面形成生物膜，進(jìn)而改變氧氣的傳輸方式，這些關(guān)鍵問(wèn)題尚缺乏系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)和定量研究。

丹麥KC-Denmark公司生產(chǎn)的多通道柱狀采泥器，能夠在不擾動(dòng)沉積物結(jié)構(gòu)的前提下，一次性采集多個(gè)完整、原狀的沉積物柱狀樣品，為開(kāi)展此類(lèi)研究提供了可靠的技術(shù)手段。

研究過(guò)程

研究團(tuán)隊(duì)在新西蘭豪拉基灣，利用多通道柱狀采泥器（圖1）采集了30根直徑為9 cm、長(zhǎng)度為30 cm的原狀沉積柱樣。該設(shè)備獨(dú)特的閉合機(jī)構(gòu)與緩沖設(shè)計(jì)，能夠很大限度的保留沉積物-水界面，不破壞表層生物膜與氧梯度，在不破壞沉積物結(jié)構(gòu)的前提下同步獲取多個(gè)重復(fù)樣品，確保后續(xù)實(shí)驗(yàn)具有良好的可比性與統(tǒng)計(jì)效力。

經(jīng)適應(yīng)期后，將樣品隨機(jī)分配至對(duì)照組、三個(gè)中等沉積負(fù)荷組及正對(duì)照組，連續(xù)7天注入魚(yú)類(lèi)廢棄物模擬有機(jī)沉降。采用全柱密封培養(yǎng)法測(cè)定總氧氣吸收速率，結(jié)合氧氣微剖面技術(shù)與PROFILE模型計(jì)算擴(kuò)散氧氣吸收速率，并通過(guò)圖像分析量化生物膜覆蓋率，揭示沉積物氧氣交換的空間異質(zhì)性。

圖1 丹麥KC-Denmark公司生產(chǎn)的多通道柱狀采泥器；分別為4通道，6通道，8通道，12通道

研究結(jié)果

1. 生物膜形成與沉積負(fù)荷響應(yīng)

當(dāng)沉積負(fù)荷達(dá)到2.2 g C·m^-2·d^-1及以上時(shí)，沉積物表面出現(xiàn)白色硫氧化細(xì)菌生物膜（圖2），覆蓋率為3%至近100%，結(jié)構(gòu)從薄層灰膜到致密纖維狀膜不等。致密膜表面氧氣飽和度低于25%，而薄層膜可達(dá)73%左右，氧氣在生物膜內(nèi)穿透深度最淺僅為0.4 mm，顯示出生物膜對(duì)氧氣傳輸?shù)娘@著阻礙作用。

圖2 不同沉積負(fù)荷組（對(duì)照組、低、中、高沉積負(fù)荷組及正對(duì)照組）沉積物表面的照片，直觀呈現(xiàn)生物膜的形態(tài)、覆蓋率和結(jié)構(gòu)差異

2. 氧氣交換機(jī)制轉(zhuǎn)變

在低沉積負(fù)荷（1.1 g C·m^-2·d^-1）條件下，擴(kuò)散氧氣吸收速率與總氧氣吸收速率比值接近1（表1），表明擴(kuò)散是主導(dǎo)的氧氣交換機(jī)制。而在生物膜形成的處理組中，該比值低至0.42，說(shuō)明生物膜通過(guò)“通氣孔"等結(jié)構(gòu)促進(jìn)了非擴(kuò)散性氧氣交換，顯著提升了總氧氣吸收速率，可高達(dá)對(duì)照組的6倍以上。

表1 各處理組總氧氣吸收速率（TOU）、擴(kuò)散氧氣吸收速率（DOU）、DOU/TOU比值

3. 沉積物氧氣穿透深度變化

未覆蓋區(qū)沉積物的氧氣穿透深度隨沉積負(fù)荷增加從3.68 mm降至2.16 mm（圖3 B），而生物膜下方沉積物穿透深度最淺僅0.4 mm，相鄰未覆蓋區(qū)仍保持約2.5 mm，揭示了有機(jī)沉積影響的顯著空間異質(zhì)性。

4. 有機(jī)碳積累與利用

表面沉積物有機(jī)碳含量隨沉積負(fù)荷增加顯著上升（圖3 A），但總氧氣吸收速率在中高沉積負(fù)荷間未呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)（圖3 C），提示沉積物微生物群落可能存在有機(jī)碳利用的“啟動(dòng)效應(yīng)"，即新鮮有機(jī)質(zhì)的輸入促進(jìn)了原有惰性有機(jī)碳的礦化。

圖3 （A）不同沉積負(fù)荷下表層沉積物有機(jī)碳含量的變化；（B）不同沉積負(fù)荷下氧氣穿透深度（OPD）的分布與變化趨勢(shì)；（C）不同沉積負(fù)荷下總氧氣吸收速率（TOU）的變化

研究結(jié)論

研究證實(shí)，中等有機(jī)沉積負(fù)荷下黏性沉積物氧化狀態(tài)呈斑塊式異質(zhì)性：生物膜覆蓋區(qū)通過(guò)非擴(kuò)散性交換顯著提升總氧氣吸收速率，加速有機(jī)碳氧化；未覆蓋區(qū)維持較好氧氣穿透能力。

KC-Denmark多通道柱狀采泥器在保持沉積物原狀結(jié)構(gòu)前提下高效獲取高重復(fù)性樣品，為精準(zhǔn)量化沉積物-水界面物質(zhì)交換、評(píng)估養(yǎng)殖環(huán)境影響提供了可靠技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

1. Simone, M. N., Hibberd, A., Plew, D., & Vopel, K. (2025). Effects of organic particle deposition on porewater oxygenation and oxygen exchange in cohesive sediment. Aquaculture Environment Interactions, 17, 45–57.