2材料和方法

2.1采樣

在日本八戶市新田河的兩個點（點1和點2）收集了沉積物樣品和河水（圖1）。新田河流經八戶市的農業區和市區。八戶市的人口約為245,000人。在新田河下游附近有幾家加工海產品的工廠。河水樣品收集于2002年4月和12月。研究期間，點2處的流量范圍為212至2.3立方米/秒，平均為15立方米/秒。最大的潮汐變化范圍為130厘米。點1和點2分別位于距離河口約1.5公里和8.0公里處。使用直徑為4厘米的聚甲基丙烯酸甲酯管輕微干擾地收集沉積物樣品。將沉積物和河水樣品轉移到實驗室，并在12小時內使用下述方法進行分析。

圖1顯示了日本八戶市新井田河中采樣點（點1和點2）的地圖。

2.2微電極測量

在實驗室中，根據其他報道的方法記錄了沉積物中氧氣（O2）、氨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2）、硫化氫（H2S）和pH的穩態濃度剖面。制備了尖端直徑約為15微米、90%響應時間小于0.5秒的氧氣克拉克型微電極，并按照Revsbech的描述進行了校準[11]。構造、校準和使用了NH4+、NO2和pH的LIX型微電極[12]，并根據其他地方的協議使用[13]。根據[14]的描述制備了硫化氫微電極，并按照其他地方的描述進行了校準和使用[15]。

使用丙烯酸板構建了一個流動電池反應器（60(L)×10(W)×5(H)cm3）用于微電極測量（圖2）。將沉積物樣品放置在反應器中，微生物墊表面與流動電池的底部對齊。以平均液體速度為2厘米/秒向反應器供給5.0升的介質進行微電極測量。為了創建平行的、無湍流的流動，將金屬網安裝在反應器的上游。微生物墊表面上方的水深約為1厘米。在測量沉積物中的氧氣濃度剖面時，采用采樣點采集的原始河水作為微電極測量的介質。光強度從10至1900毫摩爾光子/平方米/秒進行調整。在測量沉積物中NH4+、NO2、H2S和pH的微區剖面時，使用合成介質以避免與LIX型微電極的干擾。合成介質由NH4Cl（50 mM）、NaNO2（40 mM）、NaNO3（100 mM）、Na2SO4（2000 mM）、Na2HPO4（3000 mM）、MgCl2·6H2O（84 mM）、CaCl2（200 mM）、EDTA（270 mM）組成。pH調整到7.5。光強度調整為10毫摩爾光子/平方米/秒。然后將沉積物在20℃的介質中至少培養30分鐘，以確保獲得穩態剖面。微電極安裝在電動微操作器上進行精確定位，并以0.05-0.3毫米的間隔記錄了沉積物中的濃度剖面，從散裝液體進入沉積物[13]。使用剖析顯微鏡型號Stemi 2000;卡爾蔡司確定了微生物墊的表面。實驗過程中，鹵素燈提供所需的光照。對于每個物種和條件，至少測量了沉積物中不同位置的至少三個濃度剖面。在人工光-暗周期期間測量氧氣濃度時，將沉積物照射光強為1900毫摩爾光子/平方米/秒，持續10分鐘，然后將電極插入沉積物中。然后，將沉積物遮蔽，并保持在黑暗中，直到氧氣濃度穩定。然后再次將沉積物照射光強為1900毫摩爾光子/平方米/秒，并保持在光照中，直到氧氣濃度穩定。進行兩次光-暗周期后，將電極插入更深的層次中。

圖2流動池反應器設置示意圖

2.3代謝率的計算

根據Fick第二擴散定律，使用平均穩態濃度剖面計算了沉積物中氧氣的凈特異產率（Pnet）或氧氣的凈消耗率（Cnet），包括產生或消耗項：Ds(d2Cs(z)/dz2)=Cnet or Pnet，其中Ds為氧氣的有效沉積物擴散系數，Cs(z)為深度z處的氧氣濃度。這種方法的細節已由Lorenzen等人[16]先前描述。

根據Ullman和Aller的方法[17]，從氧氣的自由溶液分子擴散系數（D0）和沉積物孔隙度（F）計算了Ds：Ds=F2D0。文獻中找到了20℃時氧氣的D0值為2.09×10^(-5)cm^2/s[18]。在調查的沉積物相關深度處的孔隙度和Ds總結如表2所示。

采用同樣的氧氣微電極通過光-暗-轉移法確定了總光合速率（Pgross），其中在暗周期內氧氣濃度的減少是由下式計算的：Pgross=-dCs(t)/dt，其中dCs(t)/dt是黑暗化后2秒內氧氣消失的速率。這種方法的理論已在其他地方描述[20]。在長時間照明后，沉積物中將接近穩態氧氣剖面。在穩態時，任何層中的光合氧氣產生將與由于呼吸和氧氣從該層擴散而產生的損失平衡（如果有凈擴散到該層，則為負值）。當突然停止照明時，擴散和呼吸最初不變，因此該層中的氧氣濃度將以與以前的光合速率相等的速率下降。此外，從這些速率中通過減去凈光合速率獲得了各層沉積物的特定氧氣呼吸率（RO2）。

2.4分析方法

化學需氧量（COD）使用高錳酸鉀作為氧化劑，生化需氧量（BOD）和溶解有機碳（DOC）按照標準方法[21]進行分析。氨（NH4+）和亞硝酸鹽（NO2）濃度是用比色法確定的。亞硝酸鹽（NO3）和硫酸鹽（SO4 2）濃度是用帶有Shim-packIC-A1柱的離子色譜儀（HIC-6A；Shimadzu）確定的。NH4+、NO2、NO3和SO4 2的樣品在分析前經過0.2μm膜過濾。沉積物的孔隙度是根據Murdroch和Azcue的方法[22]進行分析的。點燃損失是在600℃下點燃2小時后揮發物的損失。使用原子吸收分光光度計（AA-670；Shimadzu）在適當的樣品預處理后分析了沉積物中的總鐵（T-Fe）濃度[21]。光強度由量子計（富士原科學公司）測量，該量子計只在400-700納米區域感知。所有測量均在水面以上進行。鹽度使用鹽度計測量。氧氣濃度和pH值分別使用氧電極和pH電極測定。

3結果與討論

3.1河水和沉積物的物理和化學參數

表1顯示了點1處的河水（n=57）的物理和化學參數（平均值±標準偏差）。點1處的河水質量相對較污染，BOD較低，NH4+濃度在點2處低于檢測限（未顯示數據）。點1處的平均NO3-濃度為127 mM。SO4 2-濃度和鹽度波動較大，表明點1位于潮汐區域。點1處的沉積物在春潮期間暴露在大氣中幾個小時。點1處的沉積物由沙子組成，點2處的沉積物由淤泥組成[22]。在點1處的沉積物表面有約1毫米厚的棕色微生物墊。微生物墊下面是一個黑色層，表明沉積物中有硫化鐵（FeS）的沉淀。表2總結了所研究沉積物相關深度處氧氣的孔隙度和Ds的平均值，其是根據水中氧氣的分子擴散系數和孔隙度的平均值計算得出的。孔隙度的平均值（n=6）隨深度略微減小。在點1和點2（n=6）處的沉積物上部5毫米的點火損失分別為4.87±0.5%和3.47±0.5%。在點1處的沉積物中發現了約2,000個個體/平方米的底棲動物（Tylorrhynchus heterochaetus）。圖3顯示了點1處沉積物中T-Fe的平均濃度剖面（n=6）。微生物墊中的T-Fe平均濃度為21 mg/g干重。T-Fe濃度隨深度略有增加，最大濃度在4-5毫米深度處為25±12 mg/g。

表1新井田河點1河水的物理和化學參數總結。數值表示平均值和標準偏差。

表2調查沉積物相關深度處的孔隙度和有效沉積物氧擴散系數（Ds）的平均值和標準偏差。

圖3點1沉積物中T-Fe的平均濃度剖面。誤差條代表測量的標準偏差。微生物墊和沉積物分別用灰色區域和虛線區域表示。

圖4顯示了2003年6月點1處沉積物表面的日光強度的日變化情況。隨著太陽升起，光強度增加，并在晴天的中午前達到最大值（1920 mmol photons/m2/s）。然后，在下午光強度逐漸降低。陰天的光強度也呈現相同的趨勢，但是低于晴天的光強度的一半。即使在晴天，當云朵遮蔽沉積物表面時，光強度也會在幾秒鐘內降至陰天的水平。

圖4點1的日照強度的晝夜周期。晴天和陰天的光強度分別用開放的圓圈和實心圓圈表示。從日落到日出的時間跨度用灰色陰影表示。這些測量是在2003年6月進行的。