熱線:021-56056830,66110819
手機(jī):13564362870
熱線:021-56056830,66110819
手機(jī):13564362870
海洋冷泉中“海底微生物甲烷過濾器”的效率受上覆海水的擴(kuò)散硫供應(yīng)和深層水庫的平流甲烷通量控制。高流體通量會(huì)降低硫酸鹽的滲透深度,并將過濾器限制在靠近沉積物-水界面的非常狹窄的區(qū)域。在這里,我們介紹了一種新的通過(槽)系統(tǒng)的沉積物流,以模擬天然沉積物中流體/甲烷流和硫酸鹽供應(yīng)之間的平衡。槽能夠在自然流態(tài)下對(duì)完整的沉積巖芯進(jìn)行厭氧培養(yǎng)。除了傳統(tǒng)的流入和流出取樣外,還可以使用微傳感器和根瘤菌沿沉積物巖芯監(jiān)測(cè)地球化學(xué)參數(shù)。在第一次試運(yùn)行中,在低(11.2 cm y–1)和高流體流量(112.1 cm y–1)條件下,對(duì)來自??硕髻M(fèi)爾德灣(波羅的海)的兩個(gè)含氣沉積物巖芯進(jìn)行了310天的培養(yǎng)和監(jiān)測(cè)。與低流量(0.29 mmol m–2 d–1)相比,高流量下的甲烷厭氧氧化速率(AOM)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)(3.07 mmol m–2 d–1),而甲烷流出量則高出一倍(分別為0.063和0.033 mmol m–2 d–1)。硫化物、硫酸鹽、總堿度、pH值、氧化還原和其他參數(shù)的沉積物剖面提供了沉積物巖心生物地球化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)的重要信息,包括甲烷營(yíng)養(yǎng)、硫酸鹽還原、碳酸鹽沉淀和硫化物氧化。槽系統(tǒng)被證明是研究受平流流體輸送影響的完整沉積物中生物地球化學(xué)參數(shù)時(shí)間演化的有效裝置。
海洋沉積物蘊(yùn)藏著地球上最大的甲烷儲(chǔ)層,包括甲烷水合物(Burwicz et al.2011;Wall-mann et al.2012)。其中一部分甲烷從更深的地方遷移到冷泉處的沉積物表面,并被排放到水柱中。在水深較淺且排放率較高的地方,這種甲烷可以進(jìn)入大氣層,形成全球溫室氣體庫。然而,大多數(shù)海洋甲烷已經(jīng)被沉積物和水柱中的微生物過程所消耗(Reeburgh 2007)。
迄今為止,已經(jīng)描述了微生物甲烷氧化的幾種代謝途徑,包括有氧途徑和以硝酸鹽(Ettwig et al.2010)、鐵(Beal et al.2009)或硫酸鹽(Boetius et al.2000)為末端電子受體的幾種厭氧途徑。甲烷與硫酸鹽的厭氧氧化(AOM)是海洋沉積物中主要的甲烷氧化途徑,在甲烷到達(dá)水柱之前消耗了80%以上的甲烷(Hinrichs和Boetius,2002年;Reeburgh,2007年)。
圖1:。冷泉特征生物地球化學(xué)過程示意圖。電子受體氧(虛線)、硝酸鹽(寬虛線)和硫酸鹽(虛線)的滲透。甲烷(實(shí)線)與滲流流體平流。硫化物(緊密虛線)和碳酸氫鹽是由甲烷的厭氧氧化(AOM)產(chǎn)生的,由甲烷營(yíng)養(yǎng)古菌和硫酸鹽還原菌聯(lián)合體介導(dǎo)。自生碳酸鹽沉淀,硫化物被化能自養(yǎng)生物氧化。
在海洋陸架和大陸邊緣,AOM活動(dòng)主要出現(xiàn)在沉積物的上部10 m處。AOM區(qū)域(圖1)通常被稱為“底棲甲烷過濾器”(Sommer et al.2006)。AOM是由微生物聯(lián)合體介導(dǎo)的,這些微生物利用硫酸鹽作為電子受體。這些菌群由硫酸鹽還原菌(SRB)和厭氧甲烷營(yíng)養(yǎng)古菌(ANME)組成(Boetius et al.2000)。AOM財(cái)團(tuán)減少硫酸鹽并氧化甲烷,生成硫化物和碳酸氫鹽(方程式1):
在一項(xiàng)新的研究中,Milucka等人(2012)提出了一種不同的反應(yīng)機(jī)制。在這一途徑中,ANME-2古菌通過產(chǎn)生元素硫作為中間產(chǎn)物單獨(dú)氧化甲烷,進(jìn)一步與二硫化物或其他多硫化物反應(yīng)(式2):
硫酸鹽還原菌使用二硫化物,并以7:1的比例將其不成比例地轉(zhuǎn)化為硫化物和硫酸鹽(式3):
產(chǎn)生的硫酸鹽可被古細(xì)菌再次用于甲烷氧化。通過組合式2和式3,得出式1的凈反應(yīng)。
在沉積物中,甲烷和硫酸鹽同時(shí)耗盡的層位被稱為硫酸鹽-甲烷過渡帶(SMTZ)(Iversen和J?rgensen 1985;Knittel和Boetius 2009)。在該區(qū)域,溶解無機(jī)碳(DIC)和硫化物(AOM的產(chǎn)物)顯著增加。這兩種產(chǎn)物也可以抑制反應(yīng)。當(dāng)孔隙水中存在高濃度的硫化物時(shí),硫化物被認(rèn)為是AOM反應(yīng)本身的直接熱力學(xué)抑制劑(Treude et al.2003;Zhang et al.2010)。在高AOM活性下,碳酸氫鹽與鈣反應(yīng)形成自生碳酸鹽(Peckmann et al.2001):該反應(yīng)可通過降低沉積物的孔隙度或阻斷流體通道間接抑制AOM(Treude et al.2003;Luff and Wallmann 2003;Kutterolf et al.2008;Karaca et al.2010),從而延緩甲烷的供應(yīng)。
SMTZ的深度取決于硫酸鹽的消耗率、下方甲烷的通量(Borowski等人,1999年),有時(shí)甚至取決于滲漏生物的活動(dòng)(Cordes等人,2005年;Fischer等人,2012年)。除了甲烷營(yíng)養(yǎng),硫酸鹽還原是海洋沉積物中有機(jī)物最重要的厭氧降解過程(J?rgensen 1978);因此,硫酸鹽滲入沉積物的深度還可以由有機(jī)質(zhì)輸入和埋藏率決定(Borowski et al.1999)。在沿海沉積物中,由于有機(jī)碎屑硫酸鹽還原對(duì)硫酸鹽的消耗率很高,SMTZ通常位于海底以下幾十米處,而在有機(jī)質(zhì)貧乏的深海沉積物中,SMTZ的深度可能在地表以下幾十米(Borowski 2004)。在有來自下方的平流甲烷供應(yīng)的地方,如冷泉和泥火山,即使在深海環(huán)境中,SMTZ也可能非常淺,在前10 cm內(nèi)顯示硫酸鹽耗盡(Treude et al.2003;Niemann et al.2006)。流體的平流輸送產(chǎn)生了更強(qiáng)的甲烷通量,但也限制了硫酸鹽的穿透深度。在這些地點(diǎn),SMTZ深度的水平變異性通常很高,可以在分米尺度上變化(Treude et al.2003;Niemann et al.2006)。有時(shí),即使在40 cm的橫向距離內(nèi),也可以觀察到底棲通量和AOM活動(dòng)的強(qiáng)烈變化(Linke et al.2005)?;瘜W(xué)合成滲漏動(dòng)物群,如硫細(xì)菌墊、管蠕蟲和蛤蜊,在硫化物上生長(zhǎng)旺盛,可作為AOM活性和甲烷通量的指標(biāo)(Sahling et al.2002;Torres et al.2002;Levin et al.2003;Treude et al.2003;Mau et al.2006)。
除了空間變異性外,流體通量和相關(guān)甲烷供應(yīng)以及SMTZ深度的相應(yīng)變化也可能暫時(shí)變化。短期流體流動(dòng)波動(dòng)可由阻塞的流體路徑造成,例如通過天然氣水合物的自發(fā)形成或碳酸鹽的預(yù)循環(huán)(Luff et al.2004、2005),這迫使形成新的運(yùn)移路徑,或通過潮汐壓力變化(Tryon et al.2002;LaBonte et al.2007;R?y et al.2008;Boles et al.2001)。
流體流動(dòng)也可能在很大的時(shí)間和空間尺度上發(fā)生變化。地震可以引起強(qiáng)烈的流體流動(dòng)脈沖或產(chǎn)生斷層,從而成為流感病毒的新遷移途徑(Tryon et al.2002;Hensen et al.2004;Aiello 2005;Hen-rys et al.2006;Mau et al.2007;Praeg et al.2009;Meister et al.2011)。地震也可能引發(fā)邊坡破壞,隨后導(dǎo)致質(zhì)量浪費(fèi)。大陸坡上的大規(guī)模浪費(fèi)被懷疑會(huì)引發(fā)暴露的天然氣水合物釋放甲烷(Ranero et al.2008;Manga et al.2009)。據(jù)推測(cè),甲烷通量的另一個(gè)長(zhǎng)期變化是由全球變暖引起的。海底變暖將降低淺層海底天然氣水合物的穩(wěn)定性,并增加甲烷通量(Kvenvolden 1993;LaBonte 2007)。由于北冰洋受到全球變暖的強(qiáng)烈影響,并且由于低溫,與其他海洋相比,天然氣水合物的穩(wěn)定性較淺,因此該區(qū)域可能是首批顯示天然氣水合物中與溫度相關(guān)的甲烷釋放的區(qū)域之一(Buffett和Archer 2004;Biastoch et al.2011)。
上述例子表明,從海底流出的甲烷通量在空間和時(shí)間尺度上都可能變化很大。了解底棲微生物甲烷過濾器對(duì)這些生長(zhǎng)和活動(dòng)變化的反應(yīng)并不容易,因?yàn)楹茈y在實(shí)驗(yàn)室模擬自然情況,也很難在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行適應(yīng)。之前曾多次嘗試使用流通系統(tǒng)研究AOM活動(dòng)和動(dòng)力學(xué),即甲烷飽和海水連續(xù)流過沉積物的系統(tǒng),以下段落簡(jiǎn)要總結(jié)了這些系統(tǒng)(直接比較見表1)。
Girguis等人(2003、2005)開發(fā)了一種連續(xù)流厭氧甲烷培養(yǎng)系統(tǒng)(AMIS),以測(cè)定ANME的生長(zhǎng)速率。AMIS使用完整的沉積物巖心,從底部輸送富含甲烷的海水(包括硫酸鹽),從頂部輸送不含甲烷的海水(包括硫酸鹽)。在反應(yīng)器中制備海水,以確保在大氣壓下甲烷濃度恒定。
在實(shí)驗(yàn)期間獲得的子樣本中確定AOM率。實(shí)驗(yàn)前后測(cè)定了ANME生物體的細(xì)胞豐度。ANME-2在低甲烷通量條件下的生長(zhǎng)速率最高,而ANME-1在高甲烷通量條件下的生長(zhǎng)速率更快。
Meulepas等人(2009年)在大氣壓力下使用了一個(gè)流動(dòng)式膜生物反應(yīng)器,該反應(yīng)器充滿沉積物,并由人工海水(20 mmol L–1硫酸鹽)供應(yīng)。甲烷通過生物反應(yīng)器永久滲濾。速率由懸浮沉積物物質(zhì)培養(yǎng)過程中13CH4的周轉(zhuǎn)率確定。運(yùn)行884天后,觀察到非常高的AOM率(286μmol g干重–1 d–1)以及3.8個(gè)月的細(xì)胞倍增率。
Wegener和Boetius(2009)在大氣壓下使用流動(dòng)培養(yǎng)反應(yīng)器,以高流速的富含甲烷的人工海水培養(yǎng)沉淀泥漿。在恢復(fù)甲烷供應(yīng)后,忍受了40天的饑餓時(shí)間,但沒有導(dǎo)致活動(dòng)減少。相反,硫酸鹽濃度降低(1 mmol L–1)導(dǎo)致AOM活性下降50%。
Deusner等人(2010年)使用了加壓系統(tǒng)(最大35 bar),該系統(tǒng)將溶解甲烷的濃度增加至70 mmol L–1,并使AOM速率比常壓下的甲烷濃度高10-15倍。除了泵和壓縮機(jī)之外,該系統(tǒng)還包括一個(gè)用于向介質(zhì)中富集甲烷的有條件容器和一個(gè)用于培養(yǎng)沉淀泥漿的生物反應(yīng)器。
Zhang等人(2010)還開發(fā)了一種高壓/高甲烷流通系統(tǒng),以防止孵化期間硫化物的抑制。該系統(tǒng)配有一個(gè)條件容器、高壓泵和一個(gè)孵化ves-sel。進(jìn)出口為硫化物測(cè)定提供取樣。
Wankel et al.(2012)使用類似于AMIS的流通系統(tǒng),底部溫度梯度在90°C到頂部約22°C之間,以孵化熱液噴口沉積物。完整的沉積物巖芯從下方供應(yīng)富含甲烷(2.8 mol L–1)的缺氧海水介質(zhì)(硫酸鹽28 mmol L–1),流體流量約為330 cm y–1。AOM率是根據(jù)流入和流出中d13C甲烷和d13C DIC的自然濃度計(jì)算的。該研究表明,AOM在高溫(90°C)下與硫酸鹽還原脫鉤,這可能與鐵還原耦合。
開發(fā)上述流通系統(tǒng)和生物反應(yīng)器是為了促進(jìn)AOM生物體的最佳生長(zhǎng)條件(Girguis et al.2003;Meulepas et al.2009),或通過單獨(dú)調(diào)整系統(tǒng)來分析選定因素的影響(Wegener和Boetius 2009;Deusner et al.2010;Zhang et al.2010;Wankel et al.2012)。在大多數(shù)情況下,使用的是沉積物泥漿,而不是完整的沉積物巖心(表1)。然而,在天然甲烷滲漏處,條件與傳統(tǒng)的人工設(shè)置非常不同。最重要的是,甲烷和硫酸鹽從不同的方向以不同的速度供應(yīng):甲烷與來自更深來源的流體平流,而硫酸鹽通過分子擴(kuò)散從上覆水柱輸送(Borowski et al.1996)。此外,甲烷供應(yīng)的變化通常與流態(tài)的變化相關(guān)(Tryon等人,2002年;Tryon和Brown 2004年;Linke等人,2005年;LaBonte 2007年;Füri等人,2010年)。因此,海底甲烷過濾器不僅受到甲烷供應(yīng)量增加的挑戰(zhàn),還受到電子受體(即硫酸鹽)穿透深度變淺的進(jìn)一步壓力(Niemann et al.2006)。最后,天然(完整)沉積物與實(shí)驗(yàn)室沉積物泥漿(均質(zhì)沉積物-海水混合物)具有非常不同的特性(例如,孔隙度、滲透率、濃度梯度)。迄今為止,Girguis et al.(2003)和Wankel et al.(2012)的水流系統(tǒng)是唯一使用完整沉積物巖心的系統(tǒng)。然而,該系統(tǒng)缺乏技術(shù)可行性,無法監(jiān)測(cè)堆芯內(nèi)的生物地球化學(xué)隨時(shí)間的發(fā)展。因此,本研究的目的是開發(fā)一個(gè)新系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)OM活動(dòng)進(jìn)行時(shí)序研究,并在整個(gè)巖芯長(zhǎng)度上,將不同流體/甲烷流動(dòng)狀態(tài)下完整沉積物巖芯中的生物地球化學(xué)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來。槽系統(tǒng)有助于甲烷和硫的自然供應(yīng),并在實(shí)驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)生物地球化學(xué)梯度。在首次使用波羅的海Eckernf?rde灣的含氣沉積物應(yīng)用該系統(tǒng)時(shí)(例如,Treude et al.2005),我們重點(diǎn)關(guān)注以下研究問題:
底棲微生物甲烷過濾器和地球化學(xué)梯度如何對(duì)變化的流體和甲烷流動(dòng)狀態(tài)作出反應(yīng),以及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的反應(yīng)時(shí)間有多長(zhǎng)?
在甲烷供應(yīng)增加和硫酸鹽滲透減少的情況下,底棲甲烷過濾器去除甲烷的效率如何?
插槽系統(tǒng)
槽系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于模擬原狀沉積物巖心中的自然滲流條件,其中甲烷從底部平流輸送,硫酸鹽從巖心頂部擴(kuò)散供應(yīng)。根據(jù)Widdel和Bak(2006),用于提供電子受體和供體的液體由硫酸鹽還原菌的缺氧海水培養(yǎng)基組成。缺氧硫酸鹽介質(zhì)(SO42–濃度19 mmol L–1,鹽度22 psu,根據(jù)研究地點(diǎn)的自然濃度:Whiticar 2002;Treude et al.2005),用于模擬“海水”條件,即允許從沉積物表面擴(kuò)散硫酸鹽供應(yīng),無甲烷。甲烷富集培養(yǎng)基(CH4濃度約930μmol L–1,鹽度22 psu),用于模擬下方的“滲流”條件,無硫酸鹽。在下文中,這兩種介質(zhì)根據(jù)其流動(dòng)方向和成分被稱為“海水”和“滲流”介質(zhì)。海水介質(zhì)從帶有氮?dú)忭斂盏膯蝹€(gè)儲(chǔ)液罐中輸送(圖2)。為了提供滲流介質(zhì),該系統(tǒng)由兩個(gè)相連的儲(chǔ)層組成,其中一個(gè)儲(chǔ)層為氮?dú)猓▋?chǔ)層1),另一個(gè)儲(chǔ)層為甲烷(儲(chǔ)層2)。儲(chǔ)層2通過蠕動(dòng)泵將富含甲烷的介質(zhì)直接輸送至沉積巖芯底部(詳情見下文)。一旦儲(chǔ)層2中的介質(zhì)液位降低,產(chǎn)生輕微的欠壓,就從儲(chǔ)層1中補(bǔ)充新介質(zhì)(氮?dú)忭斂眨?。在?chǔ)層2中,來自儲(chǔ)層1的介質(zhì)富含甲烷。通過讓進(jìn)入的介質(zhì)通過甲烷頂空下落,增強(qiáng)了甲烷頂空與介質(zhì)之間的平衡。
圖2:。插槽系統(tǒng)示意圖。將培養(yǎng)基儲(chǔ)液罐儲(chǔ)存并在10°C的冰箱柜中冷卻。培養(yǎng)基從頂部進(jìn)入堆芯,模擬缺氧海水。富含甲烷但不含硫酸鹽的下部介質(zhì)從底部進(jìn)入巖芯,模擬流體滲流。CH4儲(chǔ)層中的滲流介質(zhì)富含甲烷。所有介質(zhì)均通過泵和管道輸送。所有磁芯均配有快速連接器,以避免斷開時(shí)空氣侵入,并配有三行21個(gè)硅密封孔用于取樣。沉積物芯下方的玻璃纖維過濾器防止沉積物流失到槽系統(tǒng)的下部。流出的廢水(頂部)收集在一個(gè)瓶子中。
為了追蹤巖心內(nèi)滲流介質(zhì)的遷移,我們使用溴作為惰性示蹤劑。雖然溴在滲流介質(zhì)中以標(biāo)準(zhǔn)濃度(560μmol L–1)存在,但在海水介質(zhì)中僅以痕量濃度(6μmol L–1)存在。Resazurin被用作兩種介質(zhì)中氧污染的指示劑(Visser等人,1990年)。有關(guān)介質(zhì)組成的更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱下文(“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”和表2)。所有培養(yǎng)基均儲(chǔ)存在10°C的冰箱柜中,避光保存。
表2:。槽系統(tǒng)中使用的兩種不同介質(zhì)的鹽濃度。含硫酸鹽的海水介質(zhì)從頂部輸送,含甲烷的滲流介質(zhì)從底部輸送,不含硫酸鹽。在最后一行中,表示介質(zhì)頂部空間的氣體。
在該系統(tǒng)中,介質(zhì)由蠕動(dòng)泵(Medorex TL/10E,最小/最大泵容量0.1μL min–1/400μL min–1)使用Santropen(可高壓滅菌、高柔性、高抗腐蝕)管(內(nèi)徑0.5 mm,外徑1.6 mm)輸送。在氮?dú)夤?yīng)(氣罐)、介質(zhì)儲(chǔ)罐和泵之間以及泵和沉積物芯之間,使用了Iso Versenic(可高壓滅菌、非常耐腐蝕、非常低的氣體滲透性)管(內(nèi)徑1 mm,外徑3 mm)。管接頭由聚丙烯制成(Brandt GmbH)。
聚碳酸酯芯襯(氣密,總長(zhǎng)30 cm,內(nèi)徑6 cm,外徑6.8 cm;圖3D)配有三條垂直的取樣孔線(每條線21個(gè)孔,直徑4 mm,取樣孔之間的距離5.8 mm),并用無殘?jiān)瑁ˋquasil,Probau)密封。內(nèi)襯在頂部和底部都用聚氯乙烯(PVC)制成的蓋子封閉(圖3A、3B)。這些蓋子(頂部和底部)有一個(gè)帶有分配器容器的流入管(圖3B)。流出口(僅頂蓋)位于該容器后面。丁腈橡膠(NBR)O形圈位于蓋的內(nèi)邊緣,用于密封蓋和襯里之間的連接。在襯里的底部,固定一個(gè)過濾器支架(圖3C),以固定一個(gè)玻璃纖維過濾器(直徑6 cm,孔徑5μm)。過濾器防止沉積物顆粒進(jìn)入分配器容器。沉積物芯通過快速連接器(聚丙烯,較冷的產(chǎn)品)連接到泵系統(tǒng),使管道易于連接和斷開,無需氧氣侵入。泵和泵芯儲(chǔ)存在冰箱中,溫度為10°C,且在黑暗中。有關(guān)SLOT系統(tǒng)中所用沉積物巖心的現(xiàn)場(chǎng)取樣和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱下面的“現(xiàn)場(chǎng)取樣(Eckernf?rde Bay)”和“實(shí)驗(yàn)設(shè)置”。
圖3:。槽襯套的單個(gè)組件。(A)頂蓋(外部視圖,PVC),帶進(jìn)水管(中、長(zhǎng)、分配容器未顯示)和出水管(短、右),(B)底蓋,帶進(jìn)水管和分配容器(PVC),(C)帶開口的過濾器支架(PVC),(D)帶三行取樣孔的槽內(nèi)襯(聚碳酸酯),內(nèi)部配備過濾器支架(聚碳酸酯),頂蓋(進(jìn)出口),和底蓋(流入口)。
插槽系統(tǒng)孵化期間的取樣程序和分析
在槽芯孵化期間,在孵育過程中的幾個(gè)時(shí)間點(diǎn),使用硅填充取樣孔進(jìn)行rhi-zons孔隙水亞取樣(Meijboom和Noordwijk 1991)或水平微傳感器測(cè)量(pH、氧化還原電位、硫化物;Revs-bech和J?rgensen 1986)(硫化物在32、80、129、169、234、303和360天后;pH在169、234、303和360天后;氧化還原電位在32、129、169、303和360天后;總培養(yǎng)時(shí)間376天)。
孔隙水取樣
對(duì)于使用根進(jìn)行的孔隙水取樣(圖4C和4D),小心地從取樣孔中去除硅,并將用高壓鹽水(salin-ity 22 psu)預(yù)濕的根(根際,CSS-F,長(zhǎng)5 cm,直徑2.5 mm,孔徑0.2μm)緩慢推入沉積物中。之后,在孔周圍用無殘留硅(Aquasil、Probau)密封根瘤,并在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)保持在沉積物芯內(nèi)。對(duì)于重復(fù)的孔隙水取樣,從根中去除前0.5 mL殘留水并丟棄。隨后,對(duì)1.0-1.5 mL孔隙水進(jìn)行取樣(3 mL luer lock注射器,Becton,Dickinson and Company),并將其轉(zhuǎn)移至2 mL塑料瓶(安全鎖管,2 mL,Eppendorf)中,用于隨后的總堿度(TA)、硫酸鹽、溴化物和氯化物分析(見下文)。根據(jù)Seeberg-Elverfeldt et al.(2005),我們計(jì)算,最多只能對(duì)3 mL孔隙水進(jìn)行取樣,以避免相鄰深度段的交叉取樣。
圖4:。槽芯取樣程序:(a)通過帶有pH針傳感器(左)和參考針電極(右)的硅填充取樣孔進(jìn)行微傳感器測(cè)量;(b)用硼硅酸鹽注射器和快速接頭進(jìn)行流出取樣;(c)核心底水中的微傳感器和根線;(d)穿過硅密封取樣孔的針狀傳感器;(e)通過取樣孔使用根線進(jìn)行孔隙水取樣。
在使用根瘤菌進(jìn)行孔隙水取樣之前,使用硼硅酸鹽玻璃注射器(luer,5 mL,Poulton&Graf GmbH)對(duì)流出介質(zhì)(圖4B)進(jìn)行取樣,流出介質(zhì)位于系統(tǒng)頂部,并通過一根等速管(5 mm長(zhǎng),3 mm直徑)連接到快速耦合器。兩種流入介質(zhì)(“海水”和“滲流”)直接在將管道連接至巖心的快速連接器之前,使用管接頭和硼硅酸鹽注射器(見上文)進(jìn)行取樣。對(duì)于甲烷樣品,將2 cm3培養(yǎng)基轉(zhuǎn)移到含有5 cm3 2.5%(w/v NaOH)的10 mL血清瓶中。立即用丁基橡膠塞關(guān)閉小瓶。剩余的樣品體積(約1.5-2 cm3)儲(chǔ)存在塑料瓶(安全鎖管,Eppendorf,2 mL)中,用于總堿度滴定和離子分析。
微傳感器分析
我們使用鋼針傳感器對(duì)沉積物巖心中的地球化學(xué)參數(shù)(pH、氧化還原電位、硫化物)進(jìn)行微傳感器分析(Revsbech和J?rgensen 1986)(圖4A、D和E)。針式傳感器較不易損壞,并且很容易通過硅填充孔穿透芯襯套。然而,這種類型的傳感器通常比普通玻璃傳感器有更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間,這取決于溫度、傳感器年齡和沉積物類型。由于沉積物芯的溫度接近10°C(測(cè)量期間通過冷包穩(wěn)定),并且必須在室溫下進(jìn)行測(cè)量,因此傳感器必須在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)適應(yīng)新的溫度,這增加了響應(yīng)時(shí)間。因此,在穿過取樣孔后,允許傳感器在5到15分鐘之間進(jìn)行調(diào)整,直到宣布某個(gè)值有效(至少為響應(yīng)信號(hào)t90的90%)。測(cè)量以約2 cm的間隔進(jìn)行,即每隔一個(gè)采樣孔進(jìn)行一次,但沉積物-水界面除外,該界面上的測(cè)量直接在界面上方和下方進(jìn)行。使用微電極公司(MI 411 B,量規(guī)20)的微型傳感器測(cè)量pH值。對(duì)于三點(diǎn)校準(zhǔn)(pH 4.01、6.89和9.18),使用默克公司的標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖液。使用Unisense、Den-mark(RD-N,尖端直徑0.8 mm)的傳感器或氧化還原針傳感器(MI-800,25號(hào)儀表,微電極公司)測(cè)量氧化還原電位。用pH值為4和7的緩沖液中飽和二氫喹啉溶液的兩點(diǎn)校準(zhǔn)對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。傳感器手冊(cè)提供了與標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)相關(guān)的氧化還原電位(mV)。硫化氫(H2S)由丹麥Unisense的針式微型傳感器測(cè)量(H2S-N,尖端直徑0.8 mm)。傳感器通過6種標(biāo)準(zhǔn)NaS溶液(0、100、200、500、1000、2000μmol L–1)進(jìn)行校準(zhǔn),這些溶液在無氧磷酸鹽緩沖液(>4 pH)中制備,TiCl含量為10%v/v。根據(jù)Jeroschewski et al.(1996),使用H2S濃度、pH值、鹽度和溫度計(jì)算總硫化物濃度(包括H2S、HS-和S2-)。對(duì)于缺失的pH值曲線(運(yùn)行32、80、129天),使用7.5的pH值(培養(yǎng)基制備pH值)。
實(shí)驗(yàn)終止和巖心切片
在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),用根瘤菌再次對(duì)孔隙水進(jìn)行取樣(見上文)。這一次,提取了更大體積(每個(gè)取樣孔平均約4.3 mL)的銨、硝酸鹽和硫化物樣品(見下文分析)。拆除頂蓋和底蓋后,將芯放在擠出機(jī)上(直徑5.8 cm)。將兩個(gè)聚碳酸鹽亞巖芯(長(zhǎng)26 cm,內(nèi)徑2.5 cm,外徑2.6 cm)推入巖芯,以測(cè)定硫酸鹽還原和甲烷厭氧氧化(AOM)速率(見下文分析)。盡管子巖芯仍在沉積物中,但在擠出機(jī)的幫助下,將沉積物巖芯推到襯里外,并逐步切成1 cm的甲烷取樣間隔(2 cm3)和2 cm的孔隙度間隔(約1.5 cm3)、總CNS(孔隙度子樣本)和總有機(jī)碳(TOC,孔隙度子樣本)(見下文分析)。在2 cm的間隔內(nèi)采集額外的樣本,用于未來的工作,如催化報(bào)告者沉積熒光原位雜交(CARD-FISH,0.5 cm3)、脂質(zhì)生物標(biāo)記物(~3 cm3)和RNA/DNA(2 cm3)分析。