研究簡(jiǎn)介:南極麥克默多干谷是地球上最大的無冰區(qū)域之一，這里的湖泊因常年被冰覆蓋而形成獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)。喬伊斯湖是一個(gè)沒有出水口的湖泊，其水源主要來自周圍冰川的融水。由于湖面常年被冰覆蓋，湖水的蒸發(fā)量極低，導(dǎo)致湖水水位隨時(shí)間上升。這種水位變化記錄了該地區(qū)水文變化的歷史，對(duì)于理解南極對(duì)氣候變化的敏感性至關(guān)重要。研究人員通過潛水員在喬伊斯湖底采集了完整的疊層石樣本，并進(jìn)行了原位測(cè)量。使用pH微電極測(cè)量微生物墊的pH剖面，通過X射線CT掃描和3D可視化技術(shù)分析疊層石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

對(duì)疊層石中的方解石進(jìn)行了碳氧穩(wěn)定同位素分析（δ13C和δ1?O），以重建微生物活動(dòng)和環(huán)境條件的變化。此外，還對(duì)湖水和融水樣本進(jìn)行了化學(xué)分析，以了解湖泊的水體化學(xué)特征。研究發(fā)現(xiàn)，喬伊斯湖中的疊層石在湖水水位上升期間形成，其最內(nèi)側(cè)（最古老）的方解石帶顯示出廣泛的碳同位素變化范圍（δ13C_calcite），這與局部溶解無機(jī)碳（DIC）中碳同位素（13C/12C）比率在光合作用影響下的變化相符。

本研究揭示了喬伊斯湖疊層石的形成與環(huán)境變化之間的關(guān)系，還為理解極地湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。通過同位素趨勢(shì)可約束極地融水綠洲的初級(jí)生產(chǎn)力，尤其在其他沉積學(xué)證據(jù)表明存在多年冰蓋時(shí)。從一般δ13C_calcite值趨勢(shì)解釋環(huán)境變化需要考慮微生物活性的異質(zhì)性尺度及湖體分層或混合的輔助證據(jù)，如δ1?O_calcite。若缺乏對(duì)δ13C_calcite異質(zhì)性及δ1?O_calcite分層證據(jù)的詳細(xì)調(diào)查，疊層石生長(zhǎng)過程中δ13C_calcite值普遍升高的現(xiàn)象可能會(huì)被誤解為光合作用速率提高和湖水位下降的證據(jù)，而非湖水位上升過程中因化學(xué)隔離導(dǎo)致的分層現(xiàn)象。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

應(yīng)用Unisense Field DataLogger Mini系統(tǒng)，配備p50 pH微電極。pH微電極被用于測(cè)量喬伊斯湖底棲微生物墊中的pH剖面。潛水員在12米深處部署了微型操控器，使用pH微電極對(duì)微生物墊進(jìn)行剖面測(cè)量。潛水員使用微型操控器以每0.5毫米的增量將電極從水體垂直推進(jìn)至微生物墊中。電極記錄微生物墊中pH隨深度的變化。在2014年11月23–24日的一個(gè)晝夜周期中，pH在擴(kuò)散邊界層的一個(gè)點(diǎn)位上被連續(xù)測(cè)量。測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在12米深處的底棲微生物墊中，pH剖面在空間上存在顯著變化。接近正午時(shí)，底棲PAR為7.1μmol photons m?2s?1，水柱中環(huán)境pH為10.3。在藻墊與水體界面處pH升至10.5，在藻墊下0.5至2毫米處pH超過10.6，到藻墊下5毫米處，pH降至10.5以下。通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，pH的變化與光照強(qiáng)度的變化密切相關(guān)。在光照強(qiáng)度較高的時(shí)段，pH值顯著升高，這表明微生物墊中的光合作用在這些時(shí)段更為活躍，吸收了更多的碳酸氫根（HCO??），導(dǎo)致pH升高。在陰影遮蔽時(shí)，pH值降低，證實(shí)了光合作用對(duì)pH變化的直接影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)南極麥克默多干谷喬伊斯湖中的疊層石進(jìn)行詳細(xì)的同位素分析和巖相學(xué)研究，揭示了湖泊環(huán)境變化及微生物活動(dòng)的歷史。喬伊斯湖的疊層石在湖水水位上升期間形成，其方解石記錄了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照和水體化學(xué)條件下的活動(dòng)變化。研究發(fā)現(xiàn)，最早的疊層石層（方解石第1區(qū)）中，δ13C_calcite值在單個(gè)疊層石內(nèi)部及不同疊層石之間存在顯著變化。這種變異性與靠近冰蓋底部、光照異質(zhì)環(huán)境中光合作用速率范圍大的情況相符。隨著時(shí)間推移，湖水水位上升導(dǎo)致光照變?nèi)跚腋泳鶆颍纬擅芏确謱拥暮w結(jié)構(gòu)，使水體間混合受限。這種環(huán)境變化導(dǎo)致第2區(qū)和第3區(qū)的方解石沉淀中，δ13C_calcite值逐步富集，變化幅度減小。這反映了光合作用對(duì)DIC庫的長(zhǎng)期改造，以及光照條件的逐漸減弱。氧同位素（δ1?O_calcite）的變化也記錄了湖泊水體的混合和分層過程。最內(nèi)側(cè)方解石帶的δ1?O_calcite值顯著低于后續(xù)區(qū)域，這可能與冰蓋下方流入的融水與鹽湖水混合有關(guān)。隨著湖水水位的持續(xù)上升，水體分層更加明顯，導(dǎo)致不同深度的水體之間δ1?O_H2O值差異增大。

圖1、南極麥克默多干谷（a）含有多年冰蓋湖泊，如喬伊斯湖（b）。喬伊斯湖緊鄰泰勒冰川，由季節(jié)性融水溪流供水（c）（術(shù)語來自Green等，1988）。圖中2010年湖泊輪廓顯示水柱采樣點(diǎn)及用于采集疊層石和微生物墊的潛水孔（DH）位置。

圖2、喬伊斯湖23米深處分支柱狀疊層石簇。浮標(biāo)上的方格為1平方厘米。

圖3、12.1米深微生物墊微電極調(diào)查及輻照度模型。a為2014年11月23-24日的微生物墊擴(kuò)散邊界層pH隨晝夜變化曲線，疊加了該采樣點(diǎn)的輻照度模型。11月24日實(shí)際輻照度因云層影響波動(dòng)大于模型。b為2014年11月23日近太陽正午時(shí)兩條微電極穿過微生物墊的pH剖面（白點(diǎn)與黑點(diǎn)）。

圖4、22.1米深采樣的疊層石2細(xì)節(jié)。a為采樣時(shí)生長(zhǎng)方向的疊層石及其下方砂層；b為冷凍干燥切片，方解石區(qū)用虛線分隔，標(biāo)注c–d的近似位置；c為第1區(qū)塊狀與針狀方解石薄片顯微照片；d為第2區(qū)的層理結(jié)構(gòu)；e為第3區(qū)的塊狀方解石。

圖5、基于1947年和1961年航拍照片及1991年湖水位測(cè)量結(jié)果的疊層石生長(zhǎng)環(huán)境解釋。所有面板的導(dǎo)電率剖面來自2014年，假設(shè)深層鹽水混合產(chǎn)生觀測(cè)到的密度躍層（a），隨后水位上升導(dǎo)致淡水層加厚（b）。低水位時(shí)氣泡脫落可促使疊層石開始生長(zhǎng)（a）。1961年水位上升降低了氣泡生長(zhǎng)及脫落，密度分層導(dǎo)致環(huán)境水體隔離（b）。1991年疊層石位于光照不足以維持凈光合作用生長(zhǎng)的深度（c）。

結(jié)論與展望

通過對(duì)南極麥克默多干谷喬伊斯湖中的疊層石進(jìn)行詳細(xì)的同位素分析和巖相學(xué)研究，揭示了湖泊環(huán)境變化及微生物活動(dòng)的歷史。喬伊斯湖的疊層石在湖水水位上升期間形成，其方解石記錄了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照和水體化學(xué)條件下的活動(dòng)變化。在南極麥克默多干谷常年冰覆蓋的喬伊斯湖中，富含方解石的柱狀層狀疊巖在湖水水位上升引發(fā)的環(huán)境變化期間形成。這些層狀疊巖中的方解石記錄了碳和氧同位素信息，反映了微生物在不同光照環(huán)境和水體化學(xué)條件下的活動(dòng)變化。在喬伊斯湖底采集了完整的疊層石樣本，并進(jìn)行了原位測(cè)量。使用pH微電極測(cè)量微生物墊的pH剖面，通過X射線CT掃描和3D可視化技術(shù)分析疊層石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)疊層石中的方解石進(jìn)行了碳氧穩(wěn)定同位素分析（δ13C和δ1?O），以重建微生物活動(dòng)和環(huán)境條件的變化。

Unisense微電極在本研究中發(fā)揮了重要作用，通過精確測(cè)量微生物墊中的pH剖面，提供了關(guān)于微生物光合作用活動(dòng)和環(huán)境條件變化的詳細(xì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了微生物墊在不同光照條件下的光合作用強(qiáng)度，還為解釋疊層石中的同位素記錄提供了重要的支持，幫助研究者重建了喬伊斯湖數(shù)十年來的環(huán)境變化和微生物活動(dòng)歷史。

本研究揭示了喬伊斯湖疊層石的形成與環(huán)境變化之間的關(guān)系，還為理解極地湖泊生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。通過同位素趨勢(shì)可約束極地融水綠洲的初級(jí)生產(chǎn)力，尤其在其他沉積學(xué)證據(jù)表明存在多年冰蓋時(shí)。從一般δ13C_calcite值趨勢(shì)解釋環(huán)境變化需要考慮微生物活性的異質(zhì)性尺度及湖體分層或混合的輔助證據(jù)，如δ1?O_calcite。若缺乏對(duì)δ13C_calcite異質(zhì)性及δ1?O_calcite分層證據(jù)的詳細(xì)調(diào)查，疊層石生長(zhǎng)過程中δ13C_calcite值普遍升高的現(xiàn)象可能會(huì)被誤解為光合作用速率提高和湖水位下降的證據(jù)，而非湖水位上升過程中因化學(xué)隔離導(dǎo)致的分層現(xiàn)象。

丹麥Unisense微電極可穿刺水體、動(dòng)物組織、生物膜、顆粒污泥、植物根莖葉、液體-固體擴(kuò)散邊界層，研究微區(qū)、微生態(tài)的研究系統(tǒng)，微電極穿刺系統(tǒng)可穿刺檢測(cè)動(dòng)植物組織器官/沉積物/水/土壤/底泥/生物膜/顆粒污泥等不同深度的nM級(jí)O₂、NO、N₂O、H₂S、H₂、pH、氧化還原電位、溫度等指標(biāo)變化。unisense微電極尖端最細(xì)可達(dá)幾微米，不破壞被測(cè)點(diǎn)微環(huán)境，無損傷。