Two-dimensional ammonium distribution in sediment pore waters using a new colorimetric diffusive equilibration in thin-film technique

利用一種新的比色擴散平衡薄膜技術研究了沉積物孔隙水中氨的二維分布

來源：Water Research X 2 (2019) 100023

 

論文摘要

本研究開發了一種新型的二維擴散平衡薄膜技術（2D-DET），用于高分辨率（毫米級）測量沉積物孔隙水中的銨離子（NH??）分布。該技術基于Berthelot顏色反應原理，通過將凝膠探針植入沉積物中實現孔隙水銨離子的原位平衡擴散，隨后疊加顯色試劑凝膠形成綠色復合物，利用平板掃描和光密度分析定量銨濃度。實驗室校準顯示，該方法在去離子水和海水中均有效，檢測范圍為0-3000 μM，檢測限約20 μM，精度±25 μM。現場驗證在法國大西洋沿岸的潮汐泥灘進行，與傳統孔隙水提取-分光光度法對比證實了其可靠性。技術成本低廉，適用于淡水和海洋沉積物，為研究銨在早期成巖作用中的空間異質性提供了新工具。

 

研究目的

 

解決現有技術局限：克服傳統孔隙水取樣方法（如離心提?。┓直媛实停?gt;毫米級）、易受細胞裂解干擾、無法捕捉微環境異質性的問題。

開發高分辨率銨監測技術：建立一種基于凝膠的2D-DET方法，實現沉積物-水界面銨離子的二維分布可視化，以揭示毫米尺度的生物地球化學過程。

驗證技術適用性：通過實驗室校準和現場對比實驗，評估該方法在不同介質（淡水、海水）和濃度范圍內的準確性及魯棒性。

 

支持機制研究：結合其他參數（如氧滲透深度、營養鹽），深化對銨在沉積物中遷移轉化機制的理解，尤其在生物擾動、微生物活動頻繁的沿海生態系統中。

 

研究思路

研究采用“技術開發-優化-驗證-應用”的遞進思路：

 

技術原理設計：改編Berthelot反應（銨與酚、次氯酸鈉在堿性條件下生成藍色化合物），將其適配于凝膠薄膜體系。使用瓊脂糖凝膠（避免聚丙烯酰胺的酰胺基干擾）作為擴散介質，通過雙層試劑凝膠（分別含NaOH/次氯酸鈉和胸腺醇/硝普鈉）分步顯色。

實驗室優化：

 

試劑濃度優化：測試硝普鈉催化劑濃度（0.025-0.056 M）、螯合劑etidonic酸必要性（防止Ca2?/Mg2?沉淀）、胸腺醇濃度（0.012-0.12 M），確定最佳配方（0.025 M硝普鈉、0.12 M胸腺醇、etidonic酸必需）。

 

校準曲線建立：通過標準溶液（0-3000 μM NH??）與凝膠平衡，掃描后分析紅/綠通道灰度值，建立線性定量關系（紅通道：0-500 μM，R2=0.996；綠通道：0-3000 μM，R2=0.994）。

 

現場驗證：在Bourgneuf灣潮汐泥灘部署2D-DET探針（平衡3-5小時），同步采集沉積物柱樣進行傳統孔隙水分析（切片-離心-分光光度法），比較銨剖面分布。

 

數據整合：結合氧微電極（Unisense）測量的氧滲透深度（OPD）及其他孔隙水參數（Fe、Mn、P、Si等），闡釋銨分布與早期成巖過程的關系。

 

測量數據及其研究意義（注明來源）

研究測量了多維度數據，其意義和來源如下：

 

銨離子校準曲線：

 

意義：紅、綠通道的線性響應范圍覆蓋環境常見銨濃度（0-3000 μM），使技術兼具高靈敏度（紅通道）和寬量程（綠通道）。etidonic酸的引入消除了海水離子干擾，確保海洋應用的準確性。

 

 

來源：數據見圖2（無/有etidonic酸對比）、圖5（多通道校準曲線）。

 

試劑優化數據：

 

意義：胸腺醇濃度測試（0.06 M vs 0.12 M）表明高濃度（0.12 M）可避免凝膠中甲醇揮發導致的飽和效應，保障顯色線性。硝普鈉濃度無顯著影響，確認低劑量（0.025 M）即可催化充分。

 

 

來源：數據見圖3（溶液測試）、圖4（凝膠測試）。

 

現場銨二維分布：

 

意義：首次實現沉積物銨的二維可視化，揭示表層（0-2 cm）銨濃度低于檢測限（<17 μM），隨深度增加至底部（12 cm）達370-450 μM。分布不均質性反映生物擾動或局部微生物活動熱點。

 

來源：數據見圖6A-B（2D掃描及假色圖）、圖6C（與傳統方法剖面對比）。

 

輔助孔隙水參數（Fe、Mn、P、Si、SO?2?、堿度）：

 

意義：Mn、Fe在1 cm和3 cm深度分別出現溶出峰，符合電子受體熱力學序列；Si的雙重溶出區（表層快循環、深層慢循環）指示硅藻生物硅降解；SO?2?減少與堿度增加暗示深層硫酸鹽還原，這些數據共同解釋銨積累的成巖背景。

 

來源：數據見圖7。

 

研究結論

 

技術成功開發：2D-DET銨探針實現了沉積物孔隙水銨濃度的毫米級二維成像，檢測限低（17 μM）、量程寬（0-3000 μM），且成本低廉、操作簡便。

可靠性驗證：現場數據與傳統方法吻合，但2D-DET避免了細胞裂解干擾，可能更準確反映原位濃度。橫向變異系數（10%）低于柱樣間差異（50%），表明技術能更好捕捉微尺度異質性。

應用潛力廣泛：技術適用于富營養系統（如污水處理廠、水庫沉積物），可結合其他2D-DET參數（Fe、P、NO??等）綜合研究元素循環。

 

機制啟示：銨在表層缺失可能與Mn氧化物氧化或硝化作用有關，深層積累受硫酸鹽還原驅動，凸顯多過程耦合影響。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense公司的Clark型氧微電極系統被用于原位測量沉積物的氧滲透深度（OPD）（方法部分2.4，結果部分3.6）。OPD指溶解氧從沉積物-水界面向下擴散直至耗盡的垂直距離，本研究測得OPD為1.9 ± 0.3 mm（基于18個剖面）。

詳細研究意義如下：

 

界定銨分布的氧化還原背景：Unisense微電極提供的OPD數據（~1.9 mm）直接證實研究點沉積物表層為薄層氧化區，其下迅速轉為厭氧環境。這解釋了為何2D-DET數據顯示銨在0-2 cm深度低于檢測限：氧化層內銨可能被好氧硝化菌快速氧化或以Mn氧化物為電子受體被厭氧氧化（anammox），阻止其積累。OPD的精確測量為銨的“表層缺失”現象提供了關鍵環境證據。

支撐早期成巖過程解析：OPD與孔隙水參數（圖7）結合，構建了完整的成巖序列框架：OPD淺層（<2 mm）對應O?和Mn還原帶，與Mn溶出峰（1 cm深度）銜接；其下為Fe還原帶（Fe峰在3 cm），最后是硫酸鹽還原帶（SO?2?下降、堿度上升）。這一梯度表明銨的生成（有機質礦化）和消耗（氧化）過程在垂直空間上解耦，Unisense數據幫助定位了這些反應區的邊界。

技術互補性凸顯：Unisense微電極的高空間分辨率（毫米級） 和原位實時測量能力，彌補了2D-DET技術部署時間較長（3-5小時）可能引起的擴散擾動。OPD數據作為“靜態”化學環境的基準，與2D-DET的“動態”離子分布形成互補，共同揭示物理化學環境對生物地球化學過程的控制。

 

生態學意義：OPD值反映沉積物透氣性，影響生物棲息條件。淺OPD（1.9 mm）表明該泥灘為典型有機質富集、耗氧強烈的環境，適宜厭氧微生物主導的銨生成。這為理解潮間帶生態系統氮循環對缺氧脅迫的響應提供了量化指標。

 

綜上所述，Unisense氧微電極獲得的OPD數據雖未直接參與銨定量，但作為核心環境背景參數，為解釋銨的二維分布模式提供了不可或缺的氧化還原上下文。其高精度原位測量能力使研究者能夠將銨的微觀分布與沉積物氧化還原梯度精確關聯，深化了對海岸帶氮循環機制的理解。