Foraminiferal Mn/Ca as Bottom-Water Hypoxia Proxy: An Assessment of Nonionella stella in the Santa Barbara Basin, USA  

底棲有孔蟲Mn/Ca作為底層水缺氧指標：美國圣巴巴拉盆地Nonionella stella的評估  

來源：Paleoceanography and Paleoclimatology, Volume 36, 2021, Article e2020PA004167  

《古海洋學與古氣候學》第36卷，2021年，文章編號e2020PA004167  

 

摘要內容：  

該研究探討了底棲有孔蟲殼體錳鈣比值（Mn/Ca）作為底層水缺氧指標的可行性。以圣巴巴拉盆地（SBB）為研究對象，結合分子形態學方法鑒定出新的有孔蟲基因型Nonionella sp. T6（與N. stella形態相似）。通過同步輻射X射線熒光（XRF）納米成像和離子束痕量元素分析（SIMS），測量了有孔蟲殼體Mn/Ca與底層水溶解氧（[O?] <10 μmol/L）及孔隙水錳濃度的關系。結果顯示，盡管種內和種間Mn/Ca變異性較高（33%和58%），且Mn分配系數（D_Mn <0.05）表明其低錳結合能力，但Mn/Ca與孔隙水Mn和底層水[O?]均顯著相關。然而，亞氧化條件下狹窄的氧梯度（2.7–9.6 μmol/L）和孔隙水Mn梯度（2.12–21.59 μmol/L）限制了該指標的敏感性。  

 

研究目的：  

評估底棲有孔蟲N. stella的Mn/Ca比值作為底層水缺氧指標的可靠性，并在現代低氧環境中校準其與溶解氧和沉積物氧化還原條件的關系。  

 

研究思路：  

1. 樣本采集：在圣巴巴拉盆地三個低氧站點（水深420–567 m）采集沉積物巖芯和底層水樣本，測量原位溶解氧（丹麥Unisense微電極）和孔隙水金屬濃度。  

2. 物種鑒定：結合形態學（SEM成像）和分子生物學（SSU rDNA測序）確認研究對象為N. stella的新基因型T6。  

3. 地球化學分析：  

   ? 同步輻射XRF繪制殼體Mn/Ca空間分布（圖4）。  

 

   ? SIMS分析殼體不同腔室的痕量元素（Mn, Mg, Sr）（圖5）。  

 

   ? 分光光度法測定孔隙水溶解Mn/Fe（圖2）。  

 

4. 數據關聯：將Mn/Ca與底層水[O?]（圖1b, 2a）和孔隙水Mn（圖2b）進行統計相關性檢驗（圖6）。  

 

 

測量數據及意義：  

1. 孔隙水溶解Mn和Fe濃度（圖2b,c）：  

   ? 意義：反映沉積物氧化還原狀態，Mn峰值（21.59 μmol/L）指示活躍的錳還原梯度，為解釋有孔蟲Mn/Ca提供環境背景。  

 

2. 底層水溶解氧（[O?]）（圖1b, 2a）：  

   ? 意義：量化底層水缺氧程度（2.7–9.6 μmol/L），是校準Mn/Ca指標的直接環境參數。  

 

3. 有孔蟲殼體Mn/Ca比值（圖5）：  

   ? 意義：揭示種內/種間變異性（平均RSD 33%/58%），評估其作為缺氧指標的穩定性。  

 

4. 殼體元素分布圖（圖4）：  

   ? 意義：XRF成像確認Mn存在于方解石晶格內（非次生涂層），支持SIMS數據的可靠性。  

 

5. 遺傳序列數據：  

   ? 意義：分子鑒定（GenBank MT591587-MT591588）確保研究對象分類學準確性，避免形態相似種的干擾。  

 

丹麥Unisense微電極數據的詳細研究意義：  

使用丹麥Unisense O?微電極（OX-500）在沉積物-水界面（SWI）進行毫米尺度溶解氧剖面測量（圖2a）。其高分辨率（200 μm尖端）可精確捕捉溶解氧在沉積物中的滲透深度（<2 mm）和陡峭梯度。在圣巴巴拉盆地的亞氧化環境中（[O?] <10 μmol/L），該數據直接證實了沉積物表層的強還原狀態，解釋了孔隙水Mn濃度低且分布異常的原因（如Site 2的Mn峰值與缺氧層對應）。這種高精度氧數據對理解微生物呼吸路徑（如錳還原）至關重要，是解析有孔蟲Mn/Ca與環境參數相關性的核心依據。  

 

結論：  

1. 分類學貢獻：確認SBB的N. stella為新基因型T6（分子系統發育樹圖3c）。  

 

2. 指標局限性：N. stella的Mn分配系數低（D_Mn<0.05），殼體Mn/Ca變異性高，在狹窄氧梯度下作為缺氧指標敏感性有限。  

3. 異常相關性：Mn/Ca與底層水[O?]呈正相關（圖6b），與常規缺氧指標預期相反，歸因于亞氧化條件下孔隙水Mn的復雜動態（如低氧時Mn氧化沉淀增加生物可利用性）。  

4. 地質意義：強調在極端低氧環境中需結合多指標（如Fe/Ca）并擴展氧梯度范圍，以提升Mn/Ca在古缺氧重建中的可靠性。