2021年，由澳大利亚南十字大学牵头，德国基尔赫尔姆霍茨海洋研究中心、秘鲁海洋研究所等多国机构参与的研究团队公布了一项海上中宇宙实验结果：他们2017年在秘鲁卡亚俄近岸布放8个装置，模拟深海低氧水上升，追踪沿岸低氧区的氮损失过程。观测期间，团队将一支经校准的德国AMT公司安培式硫化氢传感器搭载于多参数水质仪上，逐日监测各中宇宙底层水体的硫化氢浓度，为解读两大脱氮通路的消长提供了关键化学背景。相关成果发表于《Biogeosciences》。
研究背景
秘鲁沿岸的洪堡寒流系统是全球最典型的东边界上升流区之一：风力驱动富含营养盐的深层水上涌，滋养了极高的初级生产力；有机质沉降后好氧降解，又让次表层水体大面积亏氧。在缺氧环境下，微生物改用硝酸盐、亚硝酸盐分解有机质，把生物可利用氮还原为氮气，这一反硝化过程是海洋固定氮流失的主要途径之一；另一条路径是厌氧铵氧化，直接以铵根和亚硝酸盐生成氮气。随着气候变化，上升流可能增强，海洋整体却在持续失氧。上升深水的氧气、酸碱度与硫化物含量如何调控氮损失通路，直接关系到全球海洋氮收支的未来走向，而船机断面调查难以把水化学与过程速率对应起来，研究团队因此选择海上中宇宙实验，在受控又贴近自然的条件下完整追踪一轮氮循环。
图1. 海洋主要氮循环过程示意，蓝色为氧化过程，红色为低氧或厌氧过程。
研究过程
实验于2017年2月22日在秘鲁近岸约4海里、圣洛伦索岛附近海域启动，8个KOSMOS中宇宙由直径2米、深约18.7米的聚氨酯袋体构成，袋底2米为漏斗形沉积物捕集器，每个围集约54立方米天然浮游生物群落，2月26日起连续采样50天。
每天清晨，团队先用泵收集捕集器中的沉降颗粒物，随后开展水质仪剖面观测。这台多参数水质仪除常规温盐深与光学溶解氧传感器外，还加装了一支经校准的AMT安培式硫化氢传感器，逐日给出各中宇宙及周边太平洋水体的硫化氢垂向分布；之后再用积分采水器分上层与底层采集水样。强热力分层把水体分成高氧高pH的表层与低氧低pH的底层，采样深度也随分层演变调整，后期为0至12.5米与12.5至17米。
模拟上升流的关键一步是深水添加：实验第5天与第10天，团队分别从90米与30米深处采得两批氮亏损程度不同的低氧水，于第11、12天等体积置换注入各中宇宙底层与表层，形成低氮磷比与极低氮磷比两个处理组；第13天与第33天再向底层注入盐水强化分层。用于脱氮速率测定的水样取自15.25米，以氮15标记的铵盐或亚硝酸盐加标培养约20小时，质谱测定生成的标记氮气，再经动力学换算得到原位速率。
图2. 德国AMT公司硫化氢（H2S）微传感器。
实验结果
一、上升流与低氧底层水得以成功复现。 实验期间周边太平洋经历多次上升流事件，表层氧饱和度一度降至约30%，pH降至约7.5。中宇宙内强分层使表层与底层水体严格分离，底层溶解氧长期处于低位，盐水注入有效压制混合，底层水化学维持在接近太平洋本底的状态。
图3. 中宇宙外太平洋水体上升流与分层的温盐深、氧饱和度与pH剖面演变。
二、底层硫化氢维持在微摩尔量级。 AMT传感器的连续监测显示，各中宇宙及周边太平洋底层水的硫化氢浓度处于微摩尔量级，大多在3至10微摩尔每升之间波动，约相当于0.1至0.3 ppm；表层水体则大多仅为纳摩尔量级。高浓度硫化氢恰恰出现在脱氮过程活跃的低氧底层，为评估硫化物对各脱氮通路的抑制效应提供了实测依据。
图4. 各中宇宙底层颗粒有机氮、溶解有机氮、硝酸盐、亚硝酸盐及氧与硫化氢浓度的时间演变。
三、反硝化主导氮损失，厌氧铵氧化贡献很小。 培养实测的反硝化速率大多介于5.5至20纳摩尔氮气每升每小时之间，峰值接近80；经底物动力学换算，中宇宙内实际原位速率大多不超过0.2至4.2纳摩尔氮气每升每小时，表明实验后半段脱氮菌群已受底物限制。厌氧铵氧化仅在少数样品中检出且速率很低，实验第16天后其功能标记基因已不再检出——底层3微摩尔每升量级的硫化氢可完全抑制厌氧铵氧化，而对反硝化影响不大。回归分析显示，亚硝酸盐、硝酸盐与颗粒有机质是反硝化速率的主要驱动因子。
图5. 以7号中宇宙为例的完整氮收支。
四、浅层脱氮量与颗粒氮输出量相当。 实验前38天，由原位速率积分得到的氮损失约为每升1至5.5微摩尔氮，与基于全氮收支的独立估算相符，约占初始可利用氮库的20%；这一损失量与沉降到约20米深捕集器中的颗粒有机氮总量处在同一量级，意味着在沿岸上升流的低氧条件下，可能输出到深海的氮已有相当一部分在较浅的表层就转化为氮气流失。
图6. 原位反硝化速率多元回归的变量筛选与效应量。
研究结论
这项中宇宙实验复现了秘鲁沿岸上升流低氧水的化学环境，证明反硝化是该海域氮损失的主导通路，硫化氢积累与有机质碳氮比变化共同压制了厌氧铵氧化；在低氧上升流条件下，浅层脱氮即可消纳与颗粒氮输出量相当的生物可利用氮，对评估东边界上升流区乃至全球海洋氮收支具有普遍意义。
对从事低氧区、养殖区与沉积物界面观测的用户而言，硫化氢是解读脱氮与硫循环耦合的关键参数，其浓度梯度集中在数米范围内且对氧敏感，采样回实验室测定极易失真。德国AMT公司专注水环境电化学分析测量技术，微传感器响应迅速、钛壳防护、尺寸紧凑，提供在线与自容两种版本，测量参数覆盖硫化氢、总硫、溶解氧、二氧化碳、氢、臭氧、pH、氧化还原电位与电导率，并配有专用校准装置。把硫化氢传感器与多参数水质仪组合挂接、逐日获取垂向剖面，正是AMT传感器在低氧水体观测中的典型用法。
参考文献
Schulz, K. G., Achterberg, E. P., Arístegui, J., Bach, L. T., et al. Nitrogen loss processes in response to upwelling in a Peruvian coastal setting dominated by denitrification – a mesocosm approach. Biogeosciences, 2021, 18: 4305–4320. https://doi.org/10.5194/bg-18-4305-2021
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