研究簡介:本研究報道了在太平洋深淵海床上進行的一系列實驗，揭示了深海沉積物中一種名為“暗氧產(chǎn)生”（DOP）的新現(xiàn)象。研究團隊通過在Nauru Ocean Resources Inc.(NORI)-D許可區(qū)域的克拉里昂-克利珀頓區(qū)（CCZ）進行的原位底棲室實驗，觀察到氧氣濃度在兩天內(nèi)增加了三倍以上，超過了背景濃度。這一現(xiàn)象與多金屬結(jié)核的存在相關，這些結(jié)核表面具有高達0.95V的高電壓勢，提示海水電解可能是DOP的一個來源。實驗中，研究人員排除了實驗操作、空氣氣泡和塑料室材料對氧氣產(chǎn)生的影響，并通過獨立測量確認了DOP的存在。他們還提出了“地質(zhì)電池”假說，即結(jié)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(xiàn)與所有已發(fā)表的深海沉積物氧氣通量研究結(jié)果不同，表明DOP可能為深海呼吸作用提供氧氣。本研究強調(diào)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(tǒng)，還可能對深海采礦活動產(chǎn)生影響。深海采礦可能會改變結(jié)核上的沉積物分布，進而影響DOP活動。因此，未來的研究需要進一步探索DOP的時間性質(zhì)和空間分布，以及它在地球歷史中金屬氧化物沉積、生物進化和地球氧化過程中的作用。

unisense水下原位培養(yǎng)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的步長穿透沉積物來制作微觀剖面。微傳感器在著陸器部署前2小時在原位溫度(1.6°C)、0%和100%O 2飽和度下進行校準。在每個采樣深度，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單獨的O 2濃度測量值。對每個深度點取這五次測量的平均值?；贠 2濃度與O2開始耗盡的深度的斜率的轉(zhuǎn)折點手動確定沉積物表面。

實驗結(jié)論

研究人員在太平洋深淵海床的多金屬結(jié)核覆蓋區(qū)域通過原位底棲室實驗觀察到了暗氧產(chǎn)生現(xiàn)象，即在沒有光合作用的情況下，氧氣濃度出現(xiàn)了凈增加。研究發(fā)現(xiàn)DOP（暗氧）與多金屬結(jié)核的存在密切相關。結(jié)核表面具有高電壓勢，這提示了海水電解可能是DOP的一個可能機制。研究者提出了“地質(zhì)電池”假說，即結(jié)核層間的金屬離子電位差可能導致電子內(nèi)部重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。通過在CCZ的多個地點進行實驗，研究者發(fā)現(xiàn)DOP不是孤立現(xiàn)象，而是在多個地點都有發(fā)生，表明這一過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(tǒng)的能量和物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。同時深海采礦活動可能會影響結(jié)核上的沉積物分布，進而影響DOP活動，對深海環(huán)境造成潛在影響。

圖1、a–c，原位海底艙著陸器部署是在5D(a)、5E(b)和7A(c)巡航至NORI-D許可區(qū)域期間進行的。所有孵化實驗中都存在結(jié)節(jié)。5D圖(a)中的綠色調(diào)、藍色調(diào)和紅線分別表示死藻生物質(zhì)、溶解的無機碳，NH4+和過濾的海水處理。AKS279-Ch.3中光極數(shù)據(jù)的間隙是由于光極定期不記錄數(shù)據(jù)造成的。黑線表示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(diào)線分別表示死藻生物量和對照（無注射）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(nèi)采集海水樣品時打開管子。在5D和7A實驗的前2小時內(nèi)測得的恒定O2濃度是由于攪拌器關閉1小時以使底物（例如死藻生物質(zhì)）下沉到沉積物表面。在5E探險期間，從著陸器部署的那一刻起，直到著陸器返回且攪拌器的電源斷開為止，攪拌器一直處于打開狀態(tài)。

圖2、克拉里昂-克利珀頓區(qū)（CCZ）內(nèi)的底棲室著陸器和多管取樣器部署位置底棲室著陸器（BCL）在APEIs 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的兩個區(qū)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航次期間進行的原位實驗的沉積物樣本。

圖3、在NORI-D底棲室著陸器實驗期間通過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(nèi)收集的水樣中通過微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生物質(zhì)，5D航次期間的DIC+NH4+（B），5D航次期間的0.45-μm過濾海水（C），以及5D（D）、5E（F）和7A（H）航次期間的對照（無注射）。

圖4、在UK1和OMS許可區(qū)域以及APEIs 1、4和7進行的底棲室著陸器實驗中測量的氧電極濃度。在2015年UK1和OMS許可區(qū)域以及2018年6月西CCZ的APEIs 1、4和7進行的36小時深淵（4037-5216米）原位底棲室著陸器實驗中記錄的氧電極讀數(shù)。這些實驗與在NORI-D進行的實驗相同。2015年和2018年實驗中記錄的O2濃度是基于4-6個月前進行的工廠校準得出的，因為在船上無法復制原位溫度進行氧電極校準。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航次期間進行的48小時原位外孵化中，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)生是通過計算t=0小時和48小時之間覆蓋沉積物的水相中O2濃度的差異來確定的，同時考慮了芯體積。圖中也顯示了作為條形圖上方數(shù)據(jù)點的個別通量。

結(jié)論與展望

本研究在太平洋克拉里昂-克利珀頓區(qū)（CCZ）的深淵海床進行了一系列的原位底棲室實驗，揭示了深海海底多金屬結(jié)核覆蓋區(qū)域存在一種新的氧氣產(chǎn)生機制——暗氧產(chǎn)生（DOP）。實驗結(jié)果顯示，在沒有光合作用的情況下，海底沉積物中的氧氣濃度出現(xiàn)了顯著增加，這一現(xiàn)象與海底多金屬結(jié)核的存在密切相關。UNISENSE原位培養(yǎng)箱裝置的微剖面數(shù)據(jù)揭示了在實驗過程中，氧氣濃度在沉積物中不僅沒有減少，反而出現(xiàn)了凈增加的現(xiàn)象，即DOP（暗氧）。這一發(fā)現(xiàn)對于理解深海生態(tài)系統(tǒng)中的氧氣循環(huán)具有重要意義研究者通過排除實驗操作、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(jié)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的一個重要機制。研究還提出了“地質(zhì)電池”假說，即結(jié)核層間的金屬離子電位差可能導致電子內(nèi)部重新分布，從而產(chǎn)生氧氣。UNISENSE原位培養(yǎng)箱結(jié)合的深海微剖面裝置被用于進行海底氧氣微剖面測量，通過使用氧氣微傳感器，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(nèi)部的氧氣梯度。本研究的結(jié)論強調(diào)了DOP作為一種新的深海氧氣產(chǎn)生機制的發(fā)現(xiàn)，其與多金屬結(jié)核的潛在聯(lián)系，以及這一發(fā)現(xiàn)對深海生態(tài)系統(tǒng)和未來深海采礦活動的潛在影響。