研究背景：微生物垫群落在水生环境中分布广泛，在物理和生物扰动最小的地方往往能获得较高的生物量。南极洲南部维多利亚(MDV)的湖泊位于地球上最寒冷和干燥的沙漠之一与年平均山谷底部温度范围从-14.8到-30.0，年降水量为100毫米,这些湖泊厚常年冰雪覆盖,缺乏风力动荡，沉积较低利率和截断食物网,通常缺乏宏观的真核生物。研究人员应用了一台自动氧微分析仪器（MP4原位剖面分析仪）测量了南极霍尔湖冰层中微生物垫的氧通量。研究人员通过使用已建立的方法从特定的氧剖面来估计活动率，MP4原位剖面分析仪测量湖泊底部沉积物-水界面处的氧气剖面随时间的变化，并同步结合开发了一个模拟微生物垫子内的氧气动力学，耦合扩散、光合作用(根据能量转换原理估算)和呼吸作用(根据近黑暗时的耗氧量估算)，以确定这些过程如何影响剖面内的氧气动力学。


野外微电极研究系统的应用


使用了一种MP4原位剖面分析仪结合氧微电极原位的测试了湖泊底部的微生物垫获中的溶氧浓度（DO）的高分辨率剖面。MP4原位剖面分析仪配备了克拉克型水下溶氧微电极和电动机械臂，允许驱动溶氧微电极进入沉积物的最小步径的垂直分辨率小于<5 um，其中溶氧微电极的尖端直径为50um，响应时间小于1s，在实验部署前，氧电极在环境温度下使用100%和0%饱和空气蒸馏水进行校准。潜水员将MP4剖面仪的微电极感应端放置在离微生物藻垫表面约10毫米处，然后返回到地面。让仪器稳定至少4小时。MP4微剖面仪设定相关程序如下，每隔60分钟将微电极插入微生物藻垫，每次的插入间隔为250um，暂停5秒后，记录两次DO浓度测量。然后电极被放回到起始位置，并向旁边移动几毫米，以避免重复定位相同的位置。MP4剖面仪通常在每天早上进行重新定位，剖面仪从接近当地中午时间(13:00 h)到当地午夜进行测试，之后为MP4剖面仪供电的电池进行充电。

图1、MP4原位剖面分析仪测试南极湖泊底部的微生物垫获中的溶氧浓度（DO）

在霍尔湖海拔10米的实验中，当地中午和午夜的氧气剖面对比。(B)在10米深的四个单独实验中，中午至午夜期间的净氧浓度下降。

(A)Hoare湖近中午至午夜两个时间序列中微生物垫中溶解氧浓度(mmolL-1)的辐照度(B,C)等值线图。微生物藻垫-水界面处用白线表示

在霍尔湖10米深度的代表性时间序列实验剖面上的辐照度、氧析出和最大氧浓度

(A)氧通量与时间的关系;(B)辐照度与氧通量的关系。来自6个时间序列的数据被组合在一起，每个数据集使用不同的符号表示。

Hoare湖10米高氧动力学模拟。(A)6h观测数据。(B)模拟扩散对起始剖面的影响。(C)完整模式，包括呼吸和光合作用。(D)利用环境辐照度数据，模拟由午夜观测值所得的氧气分布图。可以看到面板之间12:00 h曲线的细微差异，因为观测是在0.25 mm深度增量时进行的，而模型是在1 mm增量时运行的。

基于测量的起始剖面模拟24小时内的氧气动力学。(A)用于模拟的测量辐照度。(B)微生物mat中模拟的总光合产氧量和(C)氧动力学。单位为mmol L-1 h-1表示光合作用，mmol L-1表示浓度。模拟的前12h对应图。白线表示微生物藻垫-水界面。