Sampling in low oxygen aquatic environments: The deviation from anoxic conditions

在低氧水生環境中采樣：與缺氧條件的偏差

來源：Limnol. Oceanogr.: Methods 19, 2021, 733–740

 

1. 摘要核心內容

 

本研究通過在東熱帶北太平洋（ETNP）和南太平洋（ETSP）的氧最低層（OMZs）進行實地采樣和實驗室實驗，揭示了常規采樣方法對低氧/缺氧水體的氧氣污染問題。研究發現：

 

Niskin采樣瓶（PVC材質）會導致缺氧水體（原位O?濃度≈0 μM）的溶解氧濃度升至0.25–0.96 μM（STOX傳感器測量），源于瓶體材料的氧氣滲透（圖1）。

 

后續轉移過程（如Winkler滴定法采樣）進一步增加氧氣污染，使表觀O?濃度達2–4 μM（圖1），遠超微生物代謝敏感閾值（<1 μM）。

兩種防污染方法（溢流法、浸沒法）僅能將O?污染降至0.5–1.5 μM（光學傳感器），無法實現真正缺氧（圖2）。

 

關鍵結論：缺氧環境研究需在采樣后額外脫氧處理，Winkler滴定法不適用于低氧水體分析。

 

2. 研究目的

 

解決低氧水生環境（如OMZs、湖泊厭氧區）采樣中的氧氣污染偏差問題：

 

量化Niskin采樣瓶及后續操作對缺氧水體的O?污染程度。

評估Winkler滴定法在低氧水體的準確性局限。

驗證溢流法（gentle overflow）和浸沒法（submerged bottles）等防污染措施的實際效果。

為微生物代謝研究（如厭氧氨氧化、反硝化）提供可靠的缺氧采樣方案。

 

3. 研究思路

 

采用原位測量與實驗室對照結合的策略：

 

海洋實地采樣：

使用CTD-Rosette搭載Niskin瓶在ETNP/ETSP的OMZ核心層（150–400 m）取缺氧水樣。

STOX傳感器（丹麥Unisense）直接測量Niskin瓶內O?濃度（表1）。

 

對比Winkler滴定法（標準海水O?測定法）的結果（圖1）。

采樣方法驗證：

溢流法：水樣溢出瓶體積3倍后密封。

浸沒法：樣品瓶浸沒于采樣水中填充（圖2）。

實驗室控制實驗：

用脫氧蒸餾水模擬缺氧環境，重復溢流/浸沒操作。

對比LUMOS光學傳感器（高靈敏度）與Winkler法結果（圖2）。

 

4. 測量數據及研究意義

（1）關鍵數據來源與意義

指標 數據來源 研究意義

Niskin瓶內O?污染 表1 & 圖1（STOX） 揭示PVC材質滲透導致缺氧水體O?升至0.25–0.96 μM，污染程度與水溫負相關（ρ<0.01）。

Winkler法偏差 圖1 & 實驗室測試 證實在缺氧水體中Winkler法高估O?濃度（2–4 μM），誤差源于操作污染而非亞硝酸鹽/碘酸鹽干擾。

防污染方法效果 圖2（LUMOS傳感器） 溢流/浸沒法僅將O?降至0.5–1.5 μM，無法滿足厭氧過程研究需求（如反硝化抑制閾值<1 μM）。

傳感器對比 全文 STOX/LUMOS傳感器（檢測限1 nM）優于Winkler法（μM級），是低氧環境可靠工具。

（2）核心數據解讀

 

圖1：STOX傳感器（0.25–0.96 μM）與Winkler法（2.56–6.43 μM）的顯著差異，證明常規采樣導致O?污染（平均偏差3.23 μM）。

圖2：溢流法（ETNP現場：1.2±0.3 μM）與浸沒法（0.9±0.2 μM）效果相似，但均無法消除污染（實驗室脫氧水測試：3.8±0.3 μM）。

 

5. 核心結論

 

采樣污染不可避免：

Niskin瓶材料（PVC/硅膠）滲透導致缺氧水體O?升至0.25–0.96 μM。

氣泡殘留、操作延遲等因素進一步增加污染風險。

Winkler法不適用低氧水體：

操作污染使其表觀O?濃度（2–4 μM）嚴重偏離真實值，無法用于傳感器校準或過程研究。

防污染方法效果有限：

溢流/浸沒法僅將O?降至0.5–1.5 μM，仍高于厭氧過程抑制閾值（如反硝化<1 μM）。

解決方案：

缺氧研究需在采樣后脫氧處理（如He鼓泡至<100 nM）。

推薦使用高靈敏度光學傳感器（STOX/LUMOS）替代Winkler法。

 

6. 丹麥Unisense電極（STOX/LUMOS）的研究意義

 

技術原理與優勢：

 

STOX傳感器：采用兩腔室設計，外腔消耗O?，內腔檢測殘留O?，實現納摩爾級（nM）檢測限（Revsbech et al. 2011）。

LUMOS光學傳感器：基于熒光猝滅原理，非侵入式實時監測（Lehner et al. 2015）。

 

研究中的關鍵作用：

 

量化污染源：

直接測量Niskin瓶內O?（圖1），首次揭示PVC滲透是主要污染源（貢獻0.56±0.18 μM）。

實驗室驗證排除亞硝酸鹽/碘酸鹽對Winkler法的干擾（圖2）。

評估微生物代謝影響：

污染O?濃度（0.5–1.5 μM）接近/超過關鍵閾值：

厭氧氨氧化/反硝化抑制閾值：<1–2 μM（Dalsgaard et al. 2014）

氨氧化活性閾值：>3–5 μM可達最大速率（Bristow et al. 2016）

證明常規采樣會顯著改變微生物活性（如抑制厭氧過程，促進好氧過程）。

指導方法優化：

為脫氧處理（He鼓泡）提供基準，實現<100 nM的真實缺氧條件（Sun et al. 2021）。

 

實際應用價值：

 

"Unisense傳感器的高靈敏度（nM級）使其成為低氧研究的黃金標準。其原位監測能力可避免采樣污染，為全球OMZ擴張的微生物響應研究提供可靠數據基礎。"（正文）

 

注：所有結論均嚴格基于文檔數據，Unisense電極的核心價值在于揭示采樣污染機制，推動缺氧研究方法的標準化。