Meiofauna improve oxygenation and accelerate sulfide removal in the seasonally hypoxic seabed  

小型底棲動物改善季節性缺氧海床的氧合作用并加速硫化物去除  

來源：Marine Environmental Research, Volume 159, Article 104968, 2020

《海洋環境研究》第159卷，文章編號104968，2020年  

 

摘要內容

 

本研究通過模擬波羅的海季節性缺氧沉積物環境，探究小型底棲動物（meiofauna）對沉積物氧合作用、硫化物去除及微生物群落的影響。實驗通過建立小型底棲動物豐度梯度（對照、低、中、高），結合孔隙水微剖面（O?、H?S、pH）監測、溶質通量計算及微生物群落分析，發現：  

1. 高豐度小型底棲動物顯著增加氧氣滲透深度（OPD）：第5天OPD加深85%（圖3A），擴大氧化沉積物體積68%（圖3B）；  

 

2. 加速硫化物去除：第6天硫化物通量從8.8 mmol m?2 d?1降至0.4 mmol m?2 d?1（圖4）；  

 

3. 與電纜細菌共存：二者形成中性共生關系，協同促進硫化物氧化（表1）；  

 

4. 改變微生物群落結構：顯著影響β多樣性（圖5），富集硫氧化菌（如假單胞菌屬）。  

 

研究目的

 

1. 量化小型底棲動物豐度對沉積物氧合作用（O?滲透深度）和硫化物動態的影響；  

2. 探究小型底棲動物與電纜細菌（cable bacteria）的相互作用機制；  

3. 分析小型底棲動物生物擾動對微生物群落結構的調控作用。  

 

研究思路

 

1. 采樣與實驗設計：  

   ? 采集波羅的海77米深缺氧沉積物巖心，建立小型底棲動物豐度梯度（對照：128 ind.·10?3 m?2；高豐度：2030 ind.·10?3 m?2）（圖1）；  

 

   ? 進行3周培養實驗，每周測量孔隙水微剖面（O?、H?S、pH）。  

 

2. 關鍵參數監測：  

   ? 孔隙水化學：Unisense微電極記錄O?滲透深度（OPD）、硫化物層深度、pH剖面（圖2）；  

 

   ? 溶質通量：基于Fick定律計算O?和ΣH?S通量（圖4）；  

 

   ? 微生物分析：16S rRNA測序評估群落結構（圖5），FISH定量電纜細菌豐度（表1）。  

 

3. 統計驗證：  

   ? 重復測量ANOVA檢驗處理間差異（表2）；  

 

   ? NMDS和PERMANOVA分析微生物群落變化（圖5）。  

 

測量數據及其研究意義

 

1. 孔隙水微剖面（圖2、圖3）：  

   ? 數據：O?滲透深度（OPD）在高豐度處理中增加85%（5天）、硫化物層深度加深至6.4 mm（第6天）。  

 

   ? 研究意義：量化小型底棲動物生物擾動對氧化還原界面的調控，揭示其擴大氧化沉積物體積的機制。  

 

2. 溶質通量（圖4）：  

   ? 數據：高豐度處理第6天ΣH?S通量降至0.4 mmol m?2 d?1（對照為8.8 mmol m?2 d?1）。  

 

   ? 研究意義：證實小型底棲動物抑制硫化物釋放，降低底棲毒性風險。  

 

3. 微生物群落（圖5、表1）：  

   ? 數據：β多樣性顯著改變（PERMANOVA, p=0.001），電纜細菌豐度無差異（113 m cm?2）。  

 

   ? 研究意義：揭示小型底棲動物通過生物擾動影響硫氧化菌群（如假單胞菌屬），促進硫循環。  

 

結論

 

1. 氧合作用增強：小型底棲動物通過生物擾動增加孔隙度，使OPD加深85%，氧化沉積物體積擴大68%。  

2. 硫化物去除加速：高豐度處理6天內硫通量降低95%，與電纜細菌協同氧化硫化物。  

3. 微生物群落調控：改變微生物β多樣性，富集硫氧化功能菌群。  

4. 生態意義：在缺氧海床中，小型底棲動物是關鍵的“生態系統工程師”，通過抑制硫化物釋放支持大型底棲生物復蘇。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

丹麥Unisense微電極系統（OX-50、pH-100、H?S-100傳感器配合MM33微操縱器）在本研究中用于高分辨率監測沉積物孔隙水化學梯度，其核心研究意義如下：  

1. 精準定位氧化還原界面：  

   ? 以100 μm垂直分辨率測定O?滲透深度（OPD）和硫化物層深度（圖2），揭示小型底棲動物使OPD從0.8 mm增至2.3 mm（圖3A），硫化物出現深度從3.8 mm延至6.4 mm（圖3B）。  

 

   ? 意義：提供毫米級精度的氧化還原邊界數據，量化生物擾動對沉積物氧化容量的影響。  

 

2. 識別電纜細菌活動信號：  

   ? 檢測到pH特征峰（表層pH 8.3，深層pH 6.4）（圖2），符合電纜細菌電硫氧化（e-SOx）的質子遷移特征。  

 

   ? 意義：間接驗證電纜細菌的空間代謝分工，明確其與小型底棲動物的共生關系。  

 

3. 計算溶質擴散通量：  

   ? 基于O?和H?S濃度梯度（結合孔隙度、分子擴散系數D?及生物擴散系數D_b），計算溶質通量（圖4）。  

 

   ? 意義：量化硫化物通量從8.8降至0.4 mmol m?2 d?1的生物調控效應，揭示小型底棲動物減少毒性硫釋放的生態功能。  

 

4. 技術優勢：  

   ? 原位無損測量：避免沉積物采樣擾動，保持自然化學梯度；  

 

   ? 動態過程解析：連續3周監測（324條剖面），捕捉生物擾動與微生物活動的協同演化（如第15天電纜細菌主導硫氧化）。  

 

   ? 應用價值：為缺氧沉積物修復策略（如生物擾動增強）提供高精度評估工具。