《自然.地球科学》海底部发现多金属结核黑暗氧气生成，颠覆了对深海生态系统中氧气循环的理解！

原创 气体地化专委会 元素和同位素地球化学 2024年07月31日 15:13 北京

2024年7月22日发表在《自然.地球科学》杂志一项新的研究中，来自苏格兰海洋科学协会 (SAMS)安德鲁·K·斯威特曼（Andrew K. Sweetman）带领的团队在太平洋深处的多金属结核覆盖的深海底部发现了黑暗氧气生成（Dark Oxygen Production, DOP）的现象。这一发现颠覆了我们对深海生态系统中氧气循环的传统理解，并可能对全球海洋化学循环产生重要影响。①研究背景：长期以来，科学家们认为深海表面沉积物中的氧气主要来源于生物呼吸作用和其他有氧过程消耗氧气。这些过程定义了沉积物群落氧气消耗（Sediment Community Oxygen Consumption, SCOC），并对于估算海洋系统中主要元素循环的通量至关重要。然而，这项新研究表明深海底部不仅消耗氧气，而且还能生成氧气。②研究方法：研究人员在位于克拉里昂-克利帕顿区（Clarion-Clipperton Zone, CCZ）内的瑙鲁海洋资源公司（Nauru Ocean Resources Inc., NORI）-D许可区域进行了多次海底腔室着陆器实验。该地区覆盖着广阔的多金属结核，是深海采矿的一个潜在目标。实验中，研究人员将沉积物和结核暴露于不同的条件下，包括添加死亡藻类生物质、溶解无机碳和铵离子，或过滤后的表层海水。同时，也进行了对照实验。③主要发现：实验结果显示，在多个实验中，氧气浓度在初始185.2 ± 2.9 µmol/L的基础上，在47小时内上升到了201至819 µmol/L之间，表明存在净黑暗氧气生成（DOP）。独立测量氧气浓度的方法进一步证实了这一现象的存在。此外，研究人员发现黑暗氧气生成率在1.7至18 mmol/m²/d之间，显著高于沉积物群落氧气消耗速率（0.7 mmol/m²/d）。这意味着深海底部不仅能够维持自身的氧气消耗，还能够为周围环境提供额外的氧气。

这些结核是从NORI-D（编号1-5）、UK1（编号6-8）以及BGR（编号9-12）许可证区域内收集的。在21°C条件下对所有结核（编号1-12）进行了电位测量，在5°C条件下对冷处理过的UK1结核（编号6和7）进行了测量，并且在两个不同的UK1结核（测试1和2）以及一块变质碳酸盐岩表面进行了测量（对照）。平均值由“x”符号表示，中位数由横线表示，箱子图显示的是下四分位数和上四分位数值（不包括中位数），而须状线则代表最小值和最大值。每个结核/岩石表面不同点的技术重复测量次数，以箱形图上方的数字表示。

④解释与假设：研究团队排除了实验偏差、空气泡扩散、塑料容器氧气渗透等因素作为黑暗氧气生成的原因。通过对实验结果的分析，他们提出了一个假设：多金属结核表面的高电压势（高达0.95 V）可能导致海水电解，从而促进了黑暗氧气生成。⑤影响与意义：这一发现挑战了深海生态系统中氧气循环的传统观念，并提示黑暗氧气生成可能是深海生态系统氧气供应的一种新机制。尽管黑暗氧气生成的具体机制尚待进一步研究，但这项研究为了解深海底部复杂化学过程提供了新的视角。这项研究揭示了深海底部黑暗氧气生成的现象，为我们提供了对深海生态系统中氧气循环的新认识。未来的研究将进一步探索黑暗氧气生成的具体机制及其在全球海洋化学循环中的作用。这项研究发表在《自然.地球科学》杂志上，由苏格兰海洋科学协会（SAMS)安德鲁·K·斯威特曼（Andrew K. Sweetman）等人完成。该发现不仅为深海生物学和地质学领域带来了新的启示，也为探索深海资源开采的潜在环境影响提供了重要的科学依据。

更多信息，请阅读原文：

Sweetman, A.K., Smith, A.J., de Jonge, D.S.W. et al. Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor. Nat. Geosci. (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01480-8