Application of the isotope pairing technique in sediments:Use, challenges, and new directions

同位素配對技術(shù)在沉積物中的應(yīng)用

來源：Limnol. Oceanogr.: Methods 2019

 

論文摘要

本篇綜述系統(tǒng)總結(jié)了全巖心1?N同位素配對技術(shù)（IPT） 在沉積物氮循環(huán)研究中的應(yīng)用、面臨的挑戰(zhàn)及新發(fā)展。IPT是測量底棲氮（N）去除（反硝化、厭氧氨氧化）和保留（異化硝酸鹽還原為銨，DNRA）路徑速率最廣泛使用的方法之一，為理解水生系統(tǒng)中N去除的控制過程提供了寶貴信息。然而，該技術(shù)的應(yīng)用依賴于三個關(guān)鍵假設(shè)（添加1?NO??不影響1?N-N?生產(chǎn)、NO??還原區(qū)內(nèi)1?N/1?N均勻分布、產(chǎn)生的N?物種符合二項式分布），這些假設(shè)在多種復(fù)雜環(huán)境（如存在生物擾動、大型植物、硝酸鹽存儲微生物、缺氧水體等）中可能被違反，導(dǎo)致速率估算出現(xiàn)偏差。本文重點闡述了在非理想條件下應(yīng)用IPT的注意事項、潛在人為誤差來源，并探討了將其與其它方法（如底棲培養(yǎng)器、N?:Ar法、推-拉技術(shù)、模型）結(jié)合使用以獲取更準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的新策略。

 

研究目的

 

總結(jié)IPT技術(shù)現(xiàn)狀：梳理IPT自創(chuàng)立（Nielsen, 1992）以來的演變歷程，包括為應(yīng)對厭氧氨氧化（anammox）和DNRA的發(fā)現(xiàn)而對計算方法的修訂（如r-IPT, Song et al. 2016, Salk et al. 2017）。

闡明應(yīng)用要點與挑戰(zhàn)：明確正確應(yīng)用全巖心IPT的關(guān)鍵步驟和前提假設(shè)，并重點識別在富營養(yǎng)化等復(fù)雜環(huán)境中可能使這些假設(shè)失效、從而產(chǎn)生實驗誤差的因素。

 

提出解決方案與未來方向：推薦改進(jìn)的實驗方案和將IPT與互補(bǔ)性技術(shù)聯(lián)用的策略，以應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境下的挑戰(zhàn)，從而更可靠地量化沉積物N循環(huán)過程，為構(gòu)建準(zhǔn)確的N收支模型和預(yù)測提供支撐。

 

研究思路

本文采用“技術(shù)原理回顧-問題診斷-方案展望”的綜述思路：

 

技術(shù)原理與演進(jìn)回顧：首先闡述IPT的基本原理、計算依據(jù)的關(guān)鍵假設(shè)及其演變，特別是為適應(yīng)anammox和DNRA等新過程的發(fā)現(xiàn)所做的修訂。

關(guān)鍵問題診斷：系統(tǒng)分析在多種復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用IPT時，其核心假設(shè)如何被破壞，從而導(dǎo)致速率估算偏差：

 

生物擾動：穴居和灌溉生物創(chuàng)造非均勻的氧化還原微環(huán)境，導(dǎo)致1?NO??和1?NO??分布不均，違反均勻性假設(shè)。

底棲微藻（MPB）與大型植物：光合作用改變氧化層厚度和pH，競爭NH??抑制硝化，并同化NO??，混淆了用于區(qū)分過程的同位素信號。

硝酸鹽存儲微生物（如Beggiatoa）：其巨大的細(xì)胞內(nèi)NO??庫（可達(dá)數(shù)百mM）難以與添加的1?NO??快速平衡，且其自身的NO??還原途徑（反硝化或DNRA）會干擾N?同位素配對計算。

低氧與波動氧環(huán)境：底部水體缺氧或溶氧劇烈波動使得維持實驗過程中所需的氧濃度變得困難，并影響硝化速率，進(jìn)而影響DN的估算。

深層氧滲透與滲透性沉積物：前者導(dǎo)致1?NO??平衡時間過長，實驗難以實施；后者以平流輸送為主，與IPT基于擴(kuò)散的假設(shè)根本不符。

 

氣體逸出（ebullition）：取芯后壓力釋放導(dǎo)致氣體逸出，擾動沉積物化學(xué)分層，破壞原有的氧化還原結(jié)構(gòu)。

 

解決方案與未來展望：針對上述問題，提出改進(jìn)措施（如使用時間序列實驗、補(bǔ)充 slurry培養(yǎng)）并倡導(dǎo)將IPT與底棲培養(yǎng)器（Landers）、N?:Ar法、推-拉技術(shù)（Push-Pull）及數(shù)值模型相結(jié)合，以更真實地反映原位過程，并強(qiáng)調(diào)了在實驗設(shè)計中仔細(xì)考慮環(huán)境復(fù)雜性的重要性。

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義（注明來源）

綜述雖未報告原始數(shù)據(jù)，但深入討論了對多種參數(shù)進(jìn)行測量的必要性及其意義，這些參數(shù)是理解和準(zhǔn)確解釋IPT實驗結(jié)果的關(guān)鍵：

 

孔隙水營養(yǎng)鹽濃度（NO??, NH??, NO??）：

 

意義：是計算N轉(zhuǎn)化速率的基礎(chǔ)。1?NH??的出現(xiàn)是DNRA活動的直接證據(jù)；NO??的積累可能指示anammox或反硝化的中間過程。其垂向分布揭示了反應(yīng)區(qū)的分層結(jié)構(gòu)。

 

來源：通常通過Rhizon采樣器或高分辯透析技術(shù)（HR-Peeper） 獲取。

 

溶解態(tài)氣體濃度與同位素組成（N?, 2?N?, 3?N?）：

 

意義：IPT核心測量參數(shù)。3?N?由1?NO??配對產(chǎn)生（denitrification），2?N?則由1?NO??與1?NH??（anammox）或1?NO??與1?NO??（denitrification）反應(yīng)產(chǎn)生。其比例和累積量是區(qū)分和量化anammox與denitrification貢獻(xiàn)的關(guān)鍵。

 

來源：通過質(zhì)譜儀測量密封培養(yǎng)后上覆水或沉積物漿中的氣體樣品。

 

沉積物微環(huán)境參數(shù)（O?, Eh, pH, H?S）：

 

意義：氧化還原狀態(tài)（O?, Eh） 直接控制硝化（需氧）和反硝化/DNRA（厭氧）的活性和空間分布。pH影響微生物活性和反應(yīng)化學(xué)平衡。H?S等還原性物質(zhì)可抑制反硝化、促進(jìn)DNRA。

 

來源：通過丹麥Unisense微電極系統(tǒng)進(jìn)行原位、高分辨率（μm-mm級） 剖面測量（圖3），這是獲取真實、未擾動微環(huán)境信息的金標(biāo)準(zhǔn)。

 

沉積物特性（孔隙度、滲透率、有機(jī)質(zhì)含量）：

 

意義：孔隙度影響溶質(zhì)擴(kuò)散速率，是計算擴(kuò)散通量的關(guān)鍵參數(shù)。滲透率決定了平流輸送的重要性，是判斷傳統(tǒng)擴(kuò)散型IPT是否適用的前提。有機(jī)質(zhì)含量和組成是驅(qū)動微生物呼吸和N循環(huán)的主要能源。

 

來源：通過沉積物樣品實驗室分析獲得。

 

微生物群落結(jié)構(gòu)與功能基因：

 

意義：提供過程存在的潛在證據(jù)和功能微生物的豐度信息（如anammox菌的16S rRNA基因、反硝化功能的nirS/nirK基因）。與IPT速率數(shù)據(jù)結(jié)合，可加強(qiáng)機(jī)理闡釋。

 

來源：基于DNA/RNA的分子生物學(xué)技術(shù)（如qPCR,測序）。

 

研究結(jié)論

 

IPT是強(qiáng)大但需謹(jǐn)慎使用的工具：全巖心IPT極大地增進(jìn)了我們對底棲N循環(huán)的理解，但其成功應(yīng)用高度依賴于其核心假設(shè)得到滿足。在復(fù)雜環(huán)境中不加鑒別地使用會導(dǎo)致對過程速率的顯著高估或低估。

環(huán)境復(fù)雜性是主要挑戰(zhàn)：生物擾動、大型植物、底棲微藻、硝酸鹽存儲微生物、動態(tài)氧環(huán)境、滲透性沉積物等因素普遍存在，會破壞IPT的假設(shè)，是產(chǎn)生誤差的主要來源。

改進(jìn)方法與聯(lián)合應(yīng)用是未來方向：通過精心設(shè)計實驗（如時間序列、多濃度系列）、監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)（特別是微環(huán)境參數(shù)），并將IPT與互補(bǔ)技術(shù)（如底棲培養(yǎng)器、N?:Ar、推-拉技術(shù)、模型）結(jié)合，可以有效應(yīng)對挑戰(zhàn)，獲得更可靠的數(shù)據(jù)。

 

推動精準(zhǔn)N收支模型：認(rèn)識到IPT的局限性并采取相應(yīng)措施，將使我們能更準(zhǔn)確地量化不同環(huán)境下的N去除和保留途徑，從而為構(gòu)建可靠的全球和區(qū)域N收支模型、預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對變化的響應(yīng)提供堅實基礎(chǔ)。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

在沉積物氮循環(huán)研究中，特別是應(yīng)用IPT時，丹麥Unisense微電極系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它用于原位、高分辨率地測量沉積物-水界面（SWI）附近的溶解氧（O?）、pH、氧化還原電位（Eh）以及硫化氫（H?S） 的垂直微剖面。

 

詳細(xì)研究意義如下：

 

精準(zhǔn)界定反應(yīng)熱區(qū)與分層結(jié)構(gòu)，為IPT提供關(guān)鍵空間框架：Unisense微電極的毫米乃至亞毫米級分辨率能夠精確描繪出O?和Eh的垂直梯度，從而清晰界定出硝化區(qū)（oxic zone）、反硝化/anammox區(qū)（suboxic-anoxic zone）以及可能的DNRA/S還原區(qū)（anoxic-sulfidic zone）的深度和厚度。這是正確解釋IPT數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。例如，只有知道了O?滲透深度，才能合理估算1?NO??擴(kuò)散到NO??還原區(qū)所需的時間（預(yù)培養(yǎng)時間），這是滿足“均勻標(biāo)記”假設(shè)的關(guān)鍵。

診斷環(huán)境挑戰(zhàn)，評估IPT假設(shè)的有效性：Unisense測得的微剖面數(shù)據(jù)是判斷IPT核心假設(shè)是否可能被破壞的“診斷工具”。

 

若O?或Eh剖面顯示劇烈波動或不連續(xù)（如因生物擾動造成），則表明1?NO??和1?NO??的分布極可能不均勻，IPT計算可能失真。

若檢測到高濃度的H?S，則提示DNRA可能被激發(fā)，而反硝化可能被抑制，提醒研究者需要采用修訂的IPT計算方法（如Song et al. 2016）來區(qū)分DNRA和anammox。

 

pH剖面有助于理解化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)傾向和微生物活性。

 

優(yōu)化實驗設(shè)計，提高IPT數(shù)據(jù)質(zhì)量：通過實時監(jiān)測培養(yǎng)過程中巖心內(nèi)的O?濃度，可以確保O?水平維持在預(yù)設(shè)的原位條件附近（如不低于初始濃度的20%），防止因密封培養(yǎng)導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧而改變原有的N循環(huán)路徑，從而保證IPT測量的是目標(biāo)環(huán)境條件下的真實速率。

 

技術(shù)優(yōu)勢保障數(shù)據(jù)真實性：與傳統(tǒng)采樣后實驗室分析相比，Unisense微電極的原位、無損測量避免了樣品脫離原始環(huán)境后化學(xué)狀態(tài)的瞬間改變，獲得的O?、Eh、pH數(shù)據(jù)最真實地反映了沉積物微環(huán)境的瞬時狀態(tài)。其高分辨率能捕捉到傳統(tǒng)采樣方法無法分辨的微觀梯度，為理解微觀尺度的生物地球化學(xué)過程提供了無可替代的洞察力。

 

綜上所述，丹麥Unisense微電極獲得的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不止于幾個環(huán)境參數(shù)的測量。它是理解和應(yīng)用IPT的“基石”，為IPT實驗提供了 essential的空間和化學(xué)背景信息，并作為關(guān)鍵的診斷工具用于評估實驗的有效性和數(shù)據(jù)的可靠性。在復(fù)雜環(huán)境中，沒有Unisense微電極提供的高分辨率微環(huán)境信息，IPT實驗的設(shè)計和數(shù)據(jù)的解釋將帶有極大的盲目性和不確定性。因此，它將IPT從一種可能產(chǎn)生人為誤差的“黑箱”操作，提升為一種更具洞察力和可靠性的定量工具，極大地增強(qiáng)了我們在真實、復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確量化氮循環(huán)過程的能力。