自然资源部第三海洋研究所等团队，借助丹麦 KC-Denmark 公司的箱式采泥器采集深海多金属结核（polymetallic nodules，PMNs）与沉积物，2021 年在西北太平洋开展船上甲板培养模拟实验，评估深海采矿矿浆外溢对表层浮游植物群落的影响。研究首次为多金属结核开采对真光层的影响提供了模拟实验证据，相关成果于 2022 年发表于《Toxics》。
研究背景
能源结构转型推动了对铜、锰、钴、镍、锂等金属的需求。陆地金属矿产日渐枯竭、品位下降，使人们把目光投向深海矿产——多金属结核富含镍、铜、锰、钴、钼、钛等关键元素，主要分布于水深约 3500–6500 m 的深海平原，其中克拉里昂—克利珀顿区（东太平洋）平均丰度可达 15 kg/m²。深海采矿需要采矿支持船通过扬矿管把矿浆送回海面，矿石脱水与尾水排放会把含结核碎屑的矿浆扩散到上层水体，其中的金属颗粒、离子、营养盐与黏土颗粒可能影响上层海洋。
以往研究多聚焦采矿对底栖生境、沉积物羽流与回排水的影响，对中层与真光层的影响仍缺乏确凿证据。浮游植物是海洋最重要的初级生产者，占地球生物圈初级生产力的近 50%；寡营养海区以微微型浮游植物为主，包括原绿球藻（Prochlorococcus）、聚球藻（Synechococcus）和微微型真核藻，它们对营养盐与金属浓度十分敏感。因此，任何来自采矿的金属与营养盐输入都可能改变其群落结构。
研究过程
2021 年 10 月 23 日至 11 月 2 日，采样在"向阳红 03"号科考船执行、由北京先驱高技术开发有限责任公司组织的 DY69 航次中完成，研究区位于西北太平洋（153.673°E–162.480°E，19.094°N–20.504°N），共设 Incub.01–Incub.04 四个站位（图1）。
研究中的多金属结核与沉积物样品，使用 KC-Denmark 箱式采泥器（Silkeborg，Denmark）采集，每批取 1–3 块结核（总湿重相等）与约 50 g 沉积物，立即 4 ℃ 保存备用（方法段）。实验把结核研磨成粒径不超过 200 µm 的粉末，配制三种培养基：纯结核、纯沉积物、结核与沉积物混合，并分设未过滤与 0.22 µm 过滤两种情形，另设不添加任何培养基的对照组。
实验分对照 C0 与 G1–G6 共七个处理，每组 3 个平行；每个实验单元取 2 L 原表层海水加 0.4 L 培养基，在甲板上于原位水温与光照下培养 24 小时（图2）。培养前后分别测定叶绿素 a 浓度、微微型浮游植物丰度以及 8 种痕量金属（Fe、Mn、Co、Cd、Cu、Ni、Pb、Zn）浓度。
图1 丹麦KC-Denmark公司箱式采泥器
图2 研究区与站位分布。主图显示西北太平洋多金属结核勘探区（红框为北京先驱高技术开发有限责任公司的勘探区块），标注西马里亚纳海岭、马里亚纳海沟与 Marcus-Wake 海山群；右下图放大为四个培养站位 Incub.01–Incub.04 及调查区块，比例尺0–320 km（论文图1）。
图3 实验设计与处理分组示意。对照组C0为纯海水；G1–G3为未过滤的结核、沉积物及二者混合培养基；G4–G6为相应过滤（0.22 µm）后的培养基。每个处理设3个平行培养瓶，瓶中颗粒数量示意培养基中悬浮颗粒的多少（论文图2）。
实验结果
站位本底：叶绿素 a 极低，微微型浮游植物占优。 表层叶绿素 a 浓度仅 0.043–0.062 µg/L，Incub.04 最高、Incub.02 最低。微微型浮游植物中，原绿球藻丰度最高，为 26.65–45.03×10⁶ cells/L，显著高于聚球藻（0.245–0.450×10⁶ cells/L）与微微型真核藻（0.125–0.240×10⁶ cells/L）（论文图3）。
三种响应模式。 依叶绿素 a 计算比生长率，四个站位呈现抑制、刺激、无响应三种模式（图3）：Incub.01 为抑制模式，过滤沉积物（G5）与过滤混合（G6）培养基显著抑制生长（p<0.05）；Incub.02 为刺激模式，未过滤处理（G1、G2、G3）显著促进生长；Incub.03 与 Incub.04 则未见显著响应（图3）。
原绿球藻是响应的主角。 在原绿球藻占优的背景下，Incub.02 对照组丰度较培养前下降近 85%，而未过滤处理使其回升至 24.39–34.26×10⁶ cells/L；Incub.01 过滤处理中原绿球藻与聚球藻丰度则显著降低（图4）。
金属中只有锰出现明显波动。 8 种金属里，Cu、Cd、Pb、Co、Ni 均低于检出限；Fe 与 Zn 在各处理间无显著差异；只有 Mn 浓度呈现明显的组间差异，并伴随浮游植物生物量与丰度的响应（论文图7）。在 Incub.02，对照组溶解 Mn 浓度（3.499±2.678 µg/kg）远高于其他站位，而未过滤处理使其下降——提示发生了锰的吸收。
研究结论
研究证明，深海多金属结核采矿的矿浆外溢会对表层浮游植物生物量产生可测的影响，且影响并非单一负面。研究者指出，影响机制是金属浓度、浊度与营养盐等多因素耦合作用的结果：一方面，未过滤颗粒提供了更多可利用的营养盐与金属（正效应）；另一方面，沉积物引起的浊度会削弱光照（负效应）。浮游植物的生物量本底也起重要作用——本底越低，越可能表现为生长受促进。此外，锰的同化是微微型浮游植物（尤其是优势种原绿球藻）最重要的生理特征之一。
研究者同时强调，本研究为短期（24 小时）瓶内培养，颗粒滞留时间被人为延长，可能放大了浊度效应；相较之下，实际工程中粗颗粒矿石沉降快、比表面积小、反应性低，其潜在影响可能较小。后续需要更贴近实际排放过程的方法与更长周期研究。
图4 四个站位的比生长率（基于叶绿素 a）。a–d 分别为 Incub.01–Incub.04，横轴为对照C0与处理组G1–G6，纵轴为比生长率（d-1）。Incub.01 的过滤处理（G5、G6）显著受抑制，Incub.02 的未过滤处理（G1–G3）呈正增长，Incub.03、Incub.04 各处理与对照无显著差异（论文图4）。
图5 培养前后微微型浮游植物丰度响应。a、b、c 分别为原绿球藻、聚球藻与微微型真核藻在四个站位各处理组中的细胞丰度（10⁶ cells/L）。Incub.02 未过滤处理使原绿球藻丰度大幅回升，Incub.01 过滤沉积物与过滤混合处理使原绿球藻、聚球藻显著下降（论文图5）。
图6 采矿矿浆影响浮游植物的概念模式图。采矿船通过扬矿管提升矿浆，含结核与沉积物颗粒的羽流进入真光层（Euphotic layer）；右侧三种情形分别为"刺激（Stimulate）""抑制（Restrain）"与"无响应（Unaffected）"，反映营养盐/金属正效应与浊度负效应之间的平衡（论文图8）。
KC-Denmark 产品与选型
本研究的结核与沉积物样品由 KC-Denmark 箱式采泥器采集。箱式采泥器可在深海原位一次性获取大面积、界面未扰动的表层沉积物与底栖样品，是深海矿产与底质研究的经典取样工具。KC-Denmark 现行箱式采泥器系列包括：标准型 80.100（采样面积约 1000 cm²）；80.250（采样面积 2500 cm²）；80.750（采样面积 7500 cm²、穿透深度 50 cm）。配套可选 12.300/12.301 Day 静力抓斗（1000/2000 cm²）用于抓取式取样。
需要说明的是，原文仅写"KC-Denmark box corer (Silkeborg, Denmark)"，未给出具体货号；实际选型请以水德科技（watertools.cn）当期报价单为准。
参考文献
Ou R, Cai L, Qiu J, Huang H, Ou D, Li W, Lin F, He X, Wang L, Wu R. Simulation Experiment of Environmental Impact of Deep-Sea Mining: Response of Phytoplankton Community to Polymetallic Nodules and Sediment Enrichment in Surface Water. Toxics, 10(10): 610, 2022. https://doi.org/10.3390/toxics10100610
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