研究简介:本研究报道了在太平洋深渊海床上进行的一系列实验，揭示了深海沉积物中一种名为“暗氧产生”（DOP）的新现象。研究团队通过在Nauru Ocean Resources Inc.(NORI)-D许可区域的克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）进行的原位底栖室实验，观察到氧气浓度在两天内增加了三倍以上，超过了背景浓度。这一现象与多金属结核的存在相关，这些结核表面具有高达0.95V的高电压势，提示海水电解可能是DOP的一个来源。实验中，研究人员排除了实验操作、空气气泡和塑料室材料对氧气产生的影响，并通过独立测量确认了DOP的存在。他们还提出了“地质电池”假说，即结核层间的电位差可能引起电子重新分布，从而产生氧气。这一发现与所有已发表的深海沉积物氧气通量研究结果不同，表明DOP可能为深海呼吸作用提供氧气。本研究强调了理解DOP机制的重要性，这不仅有助于人们更好地理解深渊海洋生态系统，还可能对深海采矿活动产生影响。深海采矿可能会改变结核上的沉积物分布，进而影响DOP活动。因此，未来的研究需要进一步探索DOP的时间性质和空间分布，以及它在地球历史中金属氧化物沉积、生物进化和地球氧化过程中的作用。


unisense水下原位培养箱的应用


海底O2微剖面是在5E巡航期间部署AKS313、AKS316、AKS318和AKS321着陆器期间使用安装在距海底室<0.5 m处的UNISENSE深海微剖面装置制作的。使用20 cm O 2微型传感器以0.05 mm的步长穿透沉积物来制作微观剖面。微传感器在着陆器部署前2小时在原位温度(1.6°C)、0%和100%O 2饱和度下进行校准。在每个采样深度，微传感器在每次测量之前停止5秒。然后传感器记录了五个单独的O 2浓度测量值。对每个深度点取这五次测量的平均值。基于O 2浓度与O2开始耗尽的深度的斜率的转折点手动确定沉积物表面。


实验结论


研究人员在太平洋深渊海床的多金属结核覆盖区域通过原位底栖室实验观察到了暗氧产生现象，即在没有光合作用的情况下，氧气浓度出现了净增加。研究发现DOP（暗氧）与多金属结核的存在密切相关。结核表面具有高电压势，这提示了海水电解可能是DOP的一个可能机制。研究者提出了“地质电池”假说，即结核层间的金属离子电位差可能导致电子内部重新分布，从而产生氧气。通过在CCZ的多个地点进行实验，研究者发现DOP不是孤立现象，而是在多个地点都有发生，表明这一过程可能在深渊海床中有广泛的分布。DOP可能为深海海底的呼吸作用提供氧气，这对于深海生态系统的能量和物质循环具有重要意义。同时深海采矿活动可能会影响结核上的沉积物分布，进而影响DOP活动，对深海环境造成潜在影响。

图1、a–c，原位海底舱着陆器部署是在5D(a)、5E(b)和7A(c)巡航至NORI-D许可区域期间进行的。所有孵化实验中都存在结节。5D图(a)中的绿色调、蓝色调和红线分别表示死藻生物质、溶解的无机碳，NH4+和过滤的海水处理。AKS279-Ch.3中光极数据的间隙是由于光极定期不记录数据造成的。黑线表示AKS273 5D巡航期间在底栖室外部测得的环境O 2浓度。5E(b)和7A(c)图中的绿色和黄色色调线分别表示死藻生物量和对照（无注射）处理。在28、38和47 h的一些O2浓度分布图中看到的小幅下降是由于用50 ml海水稀释了腔室水造成的，海水通过1.5 m（0.25 cm直径）从外部夹带到腔室中。当注射器采样器从室内采集海水样品时打开管子。在5D和7A实验的前2小时内测得的恒定O2浓度是由于搅拌器关闭1小时以使底物（例如死藻生物质）下沉到沉积物表面。在5E探险期间，从着陆器部署的那一刻起，直到着陆器返回且搅拌器的电源断开为止，搅拌器一直处于打开状态。

图2、克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）内的底栖室着陆器和多管取样器部署位置底栖室着陆器（BCL）在APEIs 1、4和7（西CCZ）、UK1和OMS以及NORI-D（星号）的部署位置（a），以及NORI-D的两个区域（Collector Test Area或CTA和Preservation Reference Zone或PRZ）（b-d）的中央深渊太平洋。图c中还显示了多管取样器（MUC）的部署位置，该取样器在5D航次期间采集了用于5D航次期间进行的原位实验的沉积物样本。

图3、在NORI-D底栖室着陆器实验期间通过Winkler滴定法测量的水样中的氧气浓度在不同处理下，定期从室内收集的水样中通过微Winkler分析测量的平均氧气浓度（µmol L−1）。处理包括5D（A）、5E（E）和7A（G）航次期间的死亡藻类生物质，5D航次期间的DIC+NH4+（B），5D航次期间的0.45-µm过滤海水（C），以及5D（D）、5E（F）和7A（H）航次期间的对照（无注射）。

图4、在UK1和OMS许可区域以及APEIs 1、4和7进行的底栖室着陆器实验中测量的氧电极浓度。在2015年UK1和OMS许可区域以及2018年6月西CCZ的APEIs 1、4和7进行的36小时深渊（4037-5216米）原位底栖室着陆器实验中记录的氧电极读数。这些实验与在NORI-D进行的实验相同。2015年和2018年实验中记录的O2浓度是基于4-6个月前进行的工厂校准得出的，因为在船上无法复制原位温度进行氧电极校准。因此只能解释O2浓度的相对变化。

图5、条形图显示了在原位外沉积物芯中的总净O2产生。在5D航次期间进行的48小时原位外孵化中，沉积物芯（n=1-3）暴露于各种处理下的总净O2产生（µmol O2 core−1）。O2产生是通过计算t=0小时和48小时之间覆盖沉积物的水相中O2浓度的差异来确定的，同时考虑了芯体积。图中也显示了作为条形图上方数据点的个别通量。


结论与展望


本研究在太平洋克拉里昂-克利珀顿区（CCZ）的深渊海床进行了一系列的原位底栖室实验，揭示了深海海底多金属结核覆盖区域存在一种新的氧气产生机制——暗氧产生（DOP）。实验结果显示，在没有光合作用的情况下，海底沉积物中的氧气浓度出现了显著增加，这一现象与海底多金属结核的存在密切相关。UNISENSE原位培养箱装置的微剖面数据揭示了在实验过程中，氧气浓度在沉积物中不仅没有减少，反而出现了净增加的现象，即DOP（暗氧）。这一发现对于理解深海生态系统中的氧气循环具有重要意义研究者通过排除实验操作、空气气泡和塑料室材料等可能的影响因素，确认了DOP的存在。此外，结核表面存在的高电压势（高达0.95V）提示了海水电解可能是DOP的一个重要机制。研究还提出了“地质电池”假说，即结核层间的金属离子电位差可能导致电子内部重新分布，从而产生氧气。UNISENSE原位培养箱结合的深海微剖面装置被用于进行海底氧气微剖面测量，通过使用氧气微传感器，UNISENSE深海微剖面装置能够穿透沉积物，并在不同深度测量氧气浓度。这有助于研究者了解沉积物-水界面处以及沉积物内部的氧气梯度。本研究的结论强调了DOP作为一种新的深海氧气产生机制的发现，其与多金属结核的潜在联系，以及这一发现对深海生态系统和未来深海采矿活动的潜在影响。