Foraminiferal Mn/Ca as Bottom-Water Hypoxia Proxy: An Assessment of Nonionella stella in the Santa Barbara Basin, USA  

底棲有孔蟲Mn/Ca作為底層水缺氧指標(biāo)：美國(guó)圣巴巴拉盆地Nonionella stella的評(píng)估  

來源：Paleoceanography and Paleoclimatology, Volume 36, 2021, Article e2020PA004167  

《古海洋學(xué)與古氣候?qū)W》第36卷，2021年，文章編號(hào)e2020PA004167  

 

摘要內(nèi)容：  

該研究探討了底棲有孔蟲殼體錳鈣比值（Mn/Ca）作為底層水缺氧指標(biāo)的可行性。以圣巴巴拉盆地（SBB）為研究對(duì)象，結(jié)合分子形態(tài)學(xué)方法鑒定出新的有孔蟲基因型Nonionella sp. T6（與N. stella形態(tài)相似）。通過同步輻射X射線熒光（XRF）納米成像和離子束痕量元素分析（SIMS），測(cè)量了有孔蟲殼體Mn/Ca與底層水溶解氧（[O?] <10 μmol/L）及孔隙水錳濃度的關(guān)系。結(jié)果顯示，盡管種內(nèi)和種間Mn/Ca變異性較高（33%和58%），且Mn分配系數(shù)（D_Mn <0.05）表明其低錳結(jié)合能力，但Mn/Ca與孔隙水Mn和底層水[O?]均顯著相關(guān)。然而，亞氧化條件下狹窄的氧梯度（2.7–9.6 μmol/L）和孔隙水Mn梯度（2.12–21.59 μmol/L）限制了該指標(biāo)的敏感性。  

 

研究目的：  

評(píng)估底棲有孔蟲N. stella的Mn/Ca比值作為底層水缺氧指標(biāo)的可靠性，并在現(xiàn)代低氧環(huán)境中校準(zhǔn)其與溶解氧和沉積物氧化還原條件的關(guān)系。  

 

研究思路：  

1. 樣本采集：在圣巴巴拉盆地三個(gè)低氧站點(diǎn)（水深420–567 m）采集沉積物巖芯和底層水樣本，測(cè)量原位溶解氧（丹麥Unisense微電極）和孔隙水金屬濃度。  

2. 物種鑒定：結(jié)合形態(tài)學(xué)（SEM成像）和分子生物學(xué)（SSU rDNA測(cè)序）確認(rèn)研究對(duì)象為N. stella的新基因型T6。  

3. 地球化學(xué)分析：  

   ? 同步輻射XRF繪制殼體Mn/Ca空間分布（圖4）。  

 

   ? SIMS分析殼體不同腔室的痕量元素（Mn, Mg, Sr）（圖5）。  

 

   ? 分光光度法測(cè)定孔隙水溶解Mn/Fe（圖2）。  

 

4. 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：將Mn/Ca與底層水[O?]（圖1b, 2a）和孔隙水Mn（圖2b）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)性檢驗(yàn)（圖6）。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及意義：  

1. 孔隙水溶解Mn和Fe濃度（圖2b,c）：  

   ? 意義：反映沉積物氧化還原狀態(tài)，Mn峰值（21.59 μmol/L）指示活躍的錳還原梯度，為解釋有孔蟲Mn/Ca提供環(huán)境背景。  

 

2. 底層水溶解氧（[O?]）（圖1b, 2a）：  

   ? 意義：量化底層水缺氧程度（2.7–9.6 μmol/L），是校準(zhǔn)Mn/Ca指標(biāo)的直接環(huán)境參數(shù)。  

 

3. 有孔蟲殼體Mn/Ca比值（圖5）：  

   ? 意義：揭示種內(nèi)/種間變異性（平均RSD 33%/58%），評(píng)估其作為缺氧指標(biāo)的穩(wěn)定性。  

 

4. 殼體元素分布圖（圖4）：  

   ? 意義：XRF成像確認(rèn)Mn存在于方解石晶格內(nèi)（非次生涂層），支持SIMS數(shù)據(jù)的可靠性。  

 

5. 遺傳序列數(shù)據(jù)：  

   ? 意義：分子鑒定（GenBank MT591587-MT591588）確保研究對(duì)象分類學(xué)準(zhǔn)確性，避免形態(tài)相似種的干擾。  

 

丹麥Unisense微電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：  

使用丹麥Unisense O?微電極（OX-500）在沉積物-水界面（SWI）進(jìn)行毫米尺度溶解氧剖面測(cè)量（圖2a）。其高分辨率（200 μm尖端）可精確捕捉溶解氧在沉積物中的滲透深度（<2 mm）和陡峭梯度。在圣巴巴拉盆地的亞氧化環(huán)境中（[O?] <10 μmol/L），該數(shù)據(jù)直接證實(shí)了沉積物表層的強(qiáng)還原狀態(tài)，解釋了孔隙水Mn濃度低且分布異常的原因（如Site 2的Mn峰值與缺氧層對(duì)應(yīng)）。這種高精度氧數(shù)據(jù)對(duì)理解微生物呼吸路徑（如錳還原）至關(guān)重要，是解析有孔蟲Mn/Ca與環(huán)境參數(shù)相關(guān)性的核心依據(jù)。  

 

結(jié)論：  

1. 分類學(xué)貢獻(xiàn)：確認(rèn)SBB的N. stella為新基因型T6（分子系統(tǒng)發(fā)育樹圖3c）。  

 

2. 指標(biāo)局限性：N. stella的Mn分配系數(shù)低（D_Mn<0.05），殼體Mn/Ca變異性高，在狹窄氧梯度下作為缺氧指標(biāo)敏感性有限。  

3. 異常相關(guān)性：Mn/Ca與底層水[O?]呈正相關(guān)（圖6b），與常規(guī)缺氧指標(biāo)預(yù)期相反，歸因于亞氧化條件下孔隙水Mn的復(fù)雜動(dòng)態(tài)（如低氧時(shí)Mn氧化沉淀增加生物可利用性）。  

4. 地質(zhì)意義：強(qiáng)調(diào)在極端低氧環(huán)境中需結(jié)合多指標(biāo)（如Fe/Ca）并擴(kuò)展氧梯度范圍，以提升Mn/Ca在古缺氧重建中的可靠性。