丹麦KC多通道柱状采泥器助力海洋沉积物氧化机制研究

近日，由新西兰奥克兰理工大学主导的科研团队，借助丹麦KC-Denmark公司生产的多通道柱状采泥器，在可控实验条件下模拟中等沉积负荷，系统研究了开放海域网箱养殖有机颗粒物对黏性沉积物氧化状态的影响，为深海养殖环境评估提供了关键科学依据。

研究背景

随着水产养殖从近海向开阔海域发展，养殖产生的有机颗粒在水流作用下扩散范围更广、沉降浓度更低。以往研究多关注高浓度有机沉积导致的海洋底床缺氧问题，但对于中等浓度有机输入如何影响海底沉积物的氧气状况，目前了解仍不充分。黏性沉积物是深海常见的底质类型，其氧气交换主要依靠分子扩散，而生物扰动作用较弱。在这样的环境下，中等程度的有机物质沉降是否会明显改变沉积物的氧气状态，是否会促使微生物在表面形成生物膜，进而改变氧气的传输方式，这些关键问题尚缺乏系统的模拟实验和定量研究。

丹麦KC-Denmark公司生产的多通道柱状采泥器，能够在不扰动沉积物结构的前提下，一次性采集多个完整、原状的沉积物柱状样品，为开展此类研究提供了可靠的技术手段。

研究过程

研究团队在新西兰豪拉基湾，利用多通道柱状采泥器（图1）采集了30根直径为9 cm、长度为30 cm的原状沉积柱样。该设备独特的闭合机构与缓冲设计，能够很大限度的保留沉积物-水界面，不破坏表层生物膜与氧梯度，在不破坏沉积物结构的前提下同步获取多个重复样品，确保后续实验具有良好的可比性与统计效力。

经适应期后，将样品随机分配至对照组、三个中等沉积负荷组及正对照组，连续7天注入鱼类废弃物模拟有机沉降。采用全柱密封培养法测定总氧气吸收速率，结合氧气微剖面技术与PROFILE模型计算扩散氧气吸收速率，并通过图像分析量化生物膜覆盖率，揭示沉积物氧气交换的空间异质性。

图1 丹麦KC-Denmark公司生产的多通道柱状采泥器；分别为4通道，6通道，8通道，12通道

研究结果

1. 生物膜形成与沉积负荷响应

当沉积负荷达到2.2 g C·m^-2·d^-1及以上时，沉积物表面出现白色硫氧化细菌生物膜（图2），覆盖率为3%至近100%，结构从薄层灰膜到致密纤维状膜不等。致密膜表面氧气饱和度低于25%，而薄层膜可达73%左右，氧气在生物膜内穿透深度最浅仅为0.4 mm，显示出生物膜对氧气传输的显著阻碍作用。

图2 不同沉积负荷组（对照组、低、中、高沉积负荷组及正对照组）沉积物表面的照片，直观呈现生物膜的形态、覆盖率和结构差异

2. 氧气交换机制转变

在低沉积负荷（1.1 g C·m^-2·d^-1）条件下，扩散氧气吸收速率与总氧气吸收速率比值接近1（表1），表明扩散是主导的氧气交换机制。而在生物膜形成的处理组中，该比值低至0.42，说明生物膜通过“通气孔”等结构促进了非扩散性氧气交换，显著提升了总氧气吸收速率，可高达对照组的6倍以上。

表1 各处理组总氧气吸收速率（TOU）、扩散氧气吸收速率（DOU）、DOU/TOU比值

3. 沉积物氧气穿透深度变化

未覆盖区沉积物的氧气穿透深度随沉积负荷增加从3.68 mm降至2.16 mm（图3 B），而生物膜下方沉积物穿透深度最浅仅0.4 mm，相邻未覆盖区仍保持约2.5 mm，揭示了有机沉积影响的显著空间异质性。

4. 有机碳积累与利用

表面沉积物有机碳含量随沉积负荷增加显著上升（图3 A），但总氧气吸收速率在中高沉积负荷间未呈现线性增长（图3 C），提示沉积物微生物群落可能存在有机碳利用的“启动效应”，即新鲜有机质的输入促进了原有惰性有机碳的矿化。

图3 （A）不同沉积负荷下表层沉积物有机碳含量的变化；（B）不同沉积负荷下氧气穿透深度（OPD）的分布与变化趋势；（C）不同沉积负荷下总氧气吸收速率（TOU）的变化

研究结论

研究证实，中等有机沉积负荷下黏性沉积物氧化状态呈斑块式异质性：生物膜覆盖区通过非扩散交换显著提升总氧气吸收速率，加速有机碳氧化；未覆盖区维持较好氧气穿透能力。

KC-Denmark多通道柱状采泥器在保持沉积物原状结构前提下高效获取高重复性样品，为精准量化沉积物-水界面物质交换、评估养殖环境影响提供了可靠技术支撑。

参考文献

1. Simone, M. N., Hibberd, A., Plew, D., & Vopel, K. (2025). Effects of organic particle deposition on porewater oxygenation and oxygen exchange in cohesive sediment. Aquaculture Environment Interactions, 17, 45–57. https://doi.org/10.3354/aei00490