研究簡(jiǎn)介:本研究報道了在太平洋深淵海床上進(jìn)行的一系列實(shí)驗，揭示了深海沉積物中一種名為“暗氧產(chǎn)生”（DOP）的新現象。研究團隊通過(guò)在Nauru Ocean Resources Inc.(NORI)-D許可區域的克拉里昂-克利珀頓區（CCZ）進(jìn)行的原位底棲室實(shí)驗，觀(guān)察到氧氣濃度在兩天內增加了三倍以上，超過(guò)了背景濃度。這一現象與多金屬結核的存在相關(guān)，這些結核表面具有高達0.95V的高電壓勢，提示海水電解可能是DOP的一個(gè)來(lái)源。實(shí)驗中，研究人員排除了實(shí)驗操作、空氣氣泡和塑料室材料對氧氣產(chǎn)生的影響，并通過(guò)獨立測量確認了DOP的存在。他們還提出了“地質(zhì)電池”假說(shuō)，即結核層間的電位差可能引起電子重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。這一發(fā)現與所有已發(fā)表的深海沉積物氧氣通量研究結果不同，表明DOP可能為深海呼吸作用提供氧氣。本研究強調了理解DOP機制的重要性，這不僅有助于人們更好地理解深淵海洋生態(tài)系統，還可能對深海采礦活動(dòng)產(chǎn)生影響。深海采礦可能會(huì )改變結核上的沉積物分布，進(jìn)而影響DOP活動(dòng)。因此，未來(lái)的研究需要進(jìn)一步探索DOP的時(shí)間性質(zhì)和空間分布，以及它在地球歷史中金屬氧化物沉積、生物進(jìn)化和地球氧化過(guò)程中的作用。

unisense水下原位培養箱的應用

海底O2微剖面是在5E巡航期間部署AKS313、AKS316、AKS318和AKS321著(zhù)陸器期間使用安裝在距海底室<0.5 m處的UNISENSE深海微剖面裝置制作的。使用20 cm O 2微型傳感器以0.05 mm的步長(cháng)穿透沉積物來(lái)制作微觀(guān)剖面。微傳感器在著(zhù)陸器部署前2小時(shí)在原位溫度(1.6°C)、0%和100%O 2飽和度下進(jìn)行校準。在每個(gè)采樣深度，微傳感器在每次測量之前停止5秒。然后傳感器記錄了五個(gè)單獨的O 2濃度測量值。對每個(gè)深度點(diǎn)取這五次測量的平均值?；贠 2濃度與O2開(kāi)始耗盡的深度的斜率的轉折點(diǎn)手動(dòng)確定沉積物表面。

實(shí)驗結論

研究人員在太平洋深淵海床的多金屬結核覆蓋區域通過(guò)原位底棲室實(shí)驗觀(guān)察到了暗氧產(chǎn)生現象，即在沒(méi)有光合作用的情況下，氧氣濃度出現了凈增加。研究發(fā)現DOP（暗氧）與多金屬結核的存在密切相關(guān)。結核表面具有高電壓勢，這提示了海水電解可能是DOP的一個(gè)可能機制。研究者提出了“地質(zhì)電池”假說(shuō)，即結核層間的金屬離子電位差可能導致電子內部重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。通過(guò)在CCZ的多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗，研究者發(fā)現DOP不是孤立現象，而是在多個(gè)地點(diǎn)都有發(fā)生，表明這一過(guò)程可能在深淵海床中有廣泛的分布。DOP可能為深海海底的呼吸作用提供氧氣，這對于深海生態(tài)系統的能量和物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。同時(shí)深海采礦活動(dòng)可能會(huì )影響結核上的沉積物分布，進(jìn)而影響DOP活動(dòng)，對深海環(huán)境造成潛在影響。

圖1、a–c，原位海底艙著(zhù)陸器部署是在5D(a)、5E(b)和7A(c)巡航至NORI-D許可區域期間進(jìn)行的。所有孵化實(shí)驗中都存在結節。5D圖(a)中的綠色調、藍色調和紅線(xiàn)分別表示死藻生物質(zhì)、溶解的無(wú)機碳，NH4+和過(guò)濾的海水處理。AKS279-Ch.3中光極數據的間隙是由于光極定期不記錄數據造成的。黑線(xiàn)表示AKS273 5D巡航期間在底棲室外部測得的環(huán)境O 2濃度。5E(b)和7A(c)圖中的綠色和黃色色調線(xiàn)分別表示死藻生物量和對照（無(wú)注射）處理。在28、38和47 h的一些O2濃度分布圖中看到的小幅下降是由于用50 ml海水稀釋了腔室水造成的，海水通過(guò)1.5 m（0.25 cm直徑）從外部夾帶到腔室中。當注射器采樣器從室內采集海水樣品時(shí)打開(kāi)管子。在5D和7A實(shí)驗的前2小時(shí)內測得的恒定O2濃度是由于攪拌器關(guān)閉1小時(shí)以使底物（例如死藻生物質(zhì)）下沉到沉積物表面。在5E探險期間，從著(zhù)陸器部署的那一刻起，直到著(zhù)陸器返回且攪拌器的電源斷開(kāi)為止，攪拌器一直處于打開(kāi)狀態(tài)。

圖2、克拉里昂-克利珀頓區（CCZ）內的底棲室著(zhù)陸器和多管取樣器部署位置底棲室著(zhù)陸器（BCL）在A(yíng)PEIs 1、4和7（西CCZ）、UK1和OMS以及NORI-D（星號）的部署位置（a），以及NORI-D的兩個(gè)區域（Collector Test Area或CTA和Preservation Reference Zone或PRZ）（b-d）的中央深淵太平洋。圖c中還顯示了多管取樣器（MUC）的部署位置，該取樣器在5D航次期間采集了用于5D航次期間進(jìn)行的原位實(shí)驗的沉積物樣本。

圖3、在NORI-D底棲室著(zhù)陸器實(shí)驗期間通過(guò)Winkler滴定法測量的水樣中的氧氣濃度在不同處理下，定期從室內收集的水樣中通過(guò)微Winkler分析測量的平均氧氣濃度（μmol L?1）。處理包括5D（A）、5E（E）和7A（G）航次期間的死亡藻類(lèi)生物質(zhì)，5D航次期間的DIC+NH4+（B），5D航次期間的0.45-μm過(guò)濾海水（C），以及5D（D）、5E（F）和7A（H）航次期間的對照（無(wú)注射）。

圖4、在UK1和OMS許可區域以及APEIs 1、4和7進(jìn)行的底棲室著(zhù)陸器實(shí)驗中測量的氧電極濃度。在2015年UK1和OMS許可區域以及2018年6月西CCZ的APEIs 1、4和7進(jìn)行的36小時(shí)深淵（4037-5216米）原位底棲室著(zhù)陸器實(shí)驗中記錄的氧電極讀數。這些實(shí)驗與在NORI-D進(jìn)行的實(shí)驗相同。2015年和2018年實(shí)驗中記錄的O2濃度是基于4-6個(gè)月前進(jìn)行的工廠(chǎng)校準得出的，因為在船上無(wú)法復制原位溫度進(jìn)行氧電極校準。因此只能解釋O2濃度的相對變化。

圖5、條形圖顯示了在原位外沉積物芯中的總凈O2產(chǎn)生。在5D航次期間進(jìn)行的48小時(shí)原位外孵化中，沉積物芯（n=1-3）暴露于各種處理下的總凈O2產(chǎn)生（μmol O2 core?1）。O2產(chǎn)生是通過(guò)計算t=0小時(shí)和48小時(shí)之間覆蓋沉積物的水相中O2濃度的差異來(lái)確定的，同時(shí)考慮了芯體積。圖中也顯示了作為條形圖上方數據點(diǎn)的個(gè)別通量。

結論與展望

本研究在太平洋克拉里昂-克利珀頓區（CCZ）的深淵海床進(jìn)行了一系列的原位底棲室實(shí)驗，揭示了深海海底多金屬結核覆蓋區域存在一種新的氧氣產(chǎn)生機制——暗氧產(chǎn)生（DOP）。實(shí)驗結果顯示，在沒(méi)有光合作用的情況下，海底沉積物中的氧氣濃度出現了顯著(zhù)增加，這一現象與海底多金屬結核的存在密切相關(guān)。UNISENSE原位培養箱裝置的微剖面數據揭示了在實(shí)驗過(guò)程中，氧氣濃度在沉積物中不僅沒(méi)有減少，反而出現了凈增加的現象，即DOP（暗氧）。這一發(fā)現對于理解深海生態(tài)系統中的氧氣循環(huán)具有重要意義研究者通過(guò)排除實(shí)驗操作、空氣氣泡和塑料室材料等可能的影響因素，確認了DOP的存在。此外，結核表面存在的高電壓勢（高達0.95V）提示了海水電解可能是DOP的一個(gè)重要機制。研究還提出了“地質(zhì)電池”假說(shuō)，即結核層間的金屬離子電位差可能導致電子內部重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。UNISENSE原位培養箱結合的深海微剖面裝置被用于進(jìn)行海底氧氣微剖面測量，通過(guò)使用氧氣微傳感器，UNISENSE深海微剖面裝置能夠穿透沉積物，并在不同深度測量氧氣濃度。這有助于研究者了解沉積物-水界面處以及沉積物內部的氧氣梯度。本研究的結論強調了DOP作為一種新的深海氧氣產(chǎn)生機制的發(fā)現，其與多金屬結核的潛在聯(lián)系，以及這一發(fā)現對深海生態(tài)系統和未來(lái)深海采礦活動(dòng)的潛在影響。