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

研究背景

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖從近海向開闊海域發(fā)展，養(yǎng)殖產(chǎn)生的有機顆粒在水流作用下擴散范圍更廣、沉降濃度更低。以往研究多關(guān)注高濃度有機沉積導(dǎo)致的海洋底床缺氧問題，但對于中等濃度有機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的底質(zhì)類型，其氧氣交換主要依靠分子擴散，而生物擾動作用較弱。在這樣的環(huán)境下，中等程度的有機物質(zhì)沉降是否會明顯改變沉積物的氧氣狀態(tài)，是否會促使微生物在表面形成生物膜，進而改變氧氣的傳輸方式，這些關(guān)鍵問題尚缺乏系統(tǒng)的模擬實驗和定量研究。

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

研究過程

研究團隊在新西蘭豪拉基灣，利用多通道柱狀采泥器（圖1）采集了30根直徑為9 cm、長度為30 cm的原狀沉積柱樣。該設(shè)備獨特的閉合機構(gòu)與緩沖設(shè)計，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重復(fù)樣品，確保后續(xù)實驗具有良好的可比性與統(tǒng)計效力。

經(jīng)適應(yīng)期后，將樣品隨機分配至對照組、三個中等沉積負(fù)荷組及正對照組，連續(xù)7天注入魚類廢棄物模擬有機沉降。采用全柱密封培養(yǎng)法測定總氧氣吸收速率，結(jié)合氧氣微剖面技術(shù)與PROFILE模型計算擴散氧氣吸收速率，并通過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)荷達到2.2 g C·m^-2·d^-1及以上時，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，顯示出生物膜對氧氣傳輸?shù)娘@著阻礙作用。

圖2 不同沉積負(fù)荷組（對照組、低、中、高沉積負(fù)荷組及正對照組）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. 氧氣交換機制轉(zhuǎn)變

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

表1 各處理組總氧氣吸收速率（TOU）、擴散氧氣吸收速率（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，揭示了有機沉積影響的顯著空間異質(zhì)性。

4. 有機碳積累與利用

表面沉積物有機碳含量隨沉積負(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（圖3 C），提示沉積物微生物群落可能存在有機碳利用的“啟動效應(yīng)”，即新鮮有機質(zhì)的輸入促進了原有惰性有機碳的礦化。

圖3 （A）不同沉積負(fù)荷下表層沉積物有機碳含量的變化；（B）不同沉積負(fù)荷下氧氣穿透深度（OPD）的分布與變化趨勢；（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，中等有機沉積負(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)通過非擴散交換顯著提升總氧氣吸收速率，加速有機碳氧化；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、評估養(yǎng)殖環(huán)境影響提供了可靠技術(shù)支撐。

參考文獻

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. https://doi.org/10.3354/aei00490