A Novel Measurement-Based Model for Calculating Diffusive Fluxes Across Substrate-Water Interfaces of Marine Aggregates, Sediments and Biofilms  

一種基于測量的新型模型用于計算海洋聚集體、沉積物和生物膜底物-水界面的擴散通量  

來源：Frontiers in Marine Science, volume 8, article 689977, 2021  

《海洋科學前沿》第8卷 文章編號689977  2021年  

 

摘要內容

 

提出了一種新型計算模型（"Derivative-Max"），用于通過微傳感器測量的濃度剖面自動同步確定底物-水界面位置并精確計算溶解氣體/溶質的擴散通量。該模型基于質量傳遞方程推導的界面判據（d2C/dz2=0），利用雙曲正切函數擬合剖面數據，無需預先指定界面位置或假設底物幾何形狀，顯著降低了傳統方法的主觀性誤差，并在低分辨率、噪聲數據中表現出魯棒性。

 

研究目的

 

1. 開發一種客觀、自動化的方法同步確定底物-水界面位置和擴散通量。  

2. 消除傳統方法對底物幾何形狀（如球形假設）和反應類型的依賴。  

3. 提升低空間分辨率或含噪聲數據的通量計算準確性，適用于深海自主觀測平臺。

 

研究思路

 

1. 理論推導：基于質量傳遞方程提出界面判據，即界面處濃度二階導數為零，對應一階導數（濃度梯度）極值點。  

2. 模型構建：設計兩種擬合函數——標準雙曲正切函數和扭曲雙曲正切函數，分別適用于平滑和復雜剖面。  

3. 模型驗證：  

   ? 使用Unisense微電極實測的O?剖面數據（圖1A-E：藍藻/硅藻聚集體；圖2：14種下沉聚集體；圖5：海底沉積物）。  

   ? 對比傳統"Sphere模型"（Ploug et al., 1997）的通量計算結果（圖3）。  

 

 

 

 

4. 魯棒性測試：降低數據分辨率（圖6B-C）和添加噪聲（圖6D），驗證模型穩定性。  

 

測量數據及研究意義

 

1. O?濃度剖面（圖1、圖2、圖5）：  

   ? 來源：丹麥Unisense微電極（尖端2–10 μm）在聚集體（藍藻、硅藻）和沉積物中測量。  

 

   ? 意義：量化底物-水界面附近的濃度梯度變化，為模型擬合提供基礎。  

 

2. 界面位置與通量對比（圖3）：  

   ? 來源：Derivative-Max模型與Sphere模型對14組剖面數據的計算結果。  

 

   ? 意義：揭示傳統方法因幾何假設導致通量平均高估21%，界面位置偏移（圖3B）。  

 

3. 擬合殘差分析（圖4）：  

 

   ? 來源：兩種模型對相同剖面的擬合優度對比。  

 

   ? 意義：Derivative-Max模型顯著降低殘差平方和（RSS），證明其更準確表征實際濃度分布。  

 

4. 魯棒性測試數據（圖6B-D）：  

   ? 來源：人為降低分辨率或添加噪聲的剖面。  

 

   ? 意義：模型在數據質量下降時仍保持穩定，適用于深海原位測量（如500 μm粗分辨率數據）。  

 

丹麥Unisense電極數據的核心研究意義

 

1. 毫米級氧化還原解析：電極尖端尺寸（2–10 μm）可捕捉底物-水界面附近的陡峭濃度梯度（如圖1A中O?在<1 mm內耗盡），為驗證"界面處濃度梯度最大"的理論判據提供關鍵證據。  

2. 界面定位客觀化：傳統方法依賴顯微鏡或主觀判斷界面位置（圖7A-B），而Unisense數據結合Derivative-Max模型通過數學判據（d2C/dz2=0）自動定位，消除人為偏差。  

 

3. 通量計算標準化：高分辨率數據支撐雙曲正切函數擬合（圖1-2），直接輸出通量值（J? = D? × maxdC/dz

），無需依賴底物形狀或反應速率假設。  

4. 深海應用潛力：驗證模型在低分辨率（圖6B-C）和噪聲數據（圖6D）中的穩定性，為無人平臺（如底質爬行者）長期監測海底通量提供可靠工具。  

 

結論

 

1. 模型優勢：Derivative-Max模型通過數學判據自動同步確定界面位置和通量，消除傳統方法的主觀性和幾何假設限制，提升準確性（圖3-4）。  

2. 普適性驗證：成功應用于聚集體（圖1-2）和沉積物（圖5-6），支持多種溶質（O?、NH??、NO??；圖8）的通量計算。  

 

3. 魯棒性：在低分辨率（圖6B-C）和高噪聲數據（圖6D）中保持穩定，適用于深海自主觀測平臺。  

4. 應用前景：該模型可集成至自主平臺，優化深海通量監測策略（如根據通量變化觸發高分辨率采樣）。