海水介質(zhì)中碳酸鈣溶解行為探討：培養(yǎng)實驗結(jié)果.pdf

1、作為地表系統(tǒng)最大的“活躍”碳儲庫，海洋吸收了大約30％人類排放的二氧化碳(CO2)。海洋通過溶解度泵和生物泵調(diào)節(jié)大氣中的CO2濃度，生物泵包括有機碳泵和碳酸鹽泵。其中，碳酸鹽泵主要通過鈣化生物主導(dǎo)的碳酸鈣(CaCO3)生成、溶解和沉降實現(xiàn)，是海洋碳循環(huán)的重要組成部分。據(jù)估算，60-80％的CaCO3在溶躍面以上已經(jīng)溶解。較多研究者認(rèn)為是生物作用等非熱力學(xué)控制的過程導(dǎo)致了飽和水體中CaCO3的溶解，并提出以下假設(shè):海洋中聚集在CaCO3顆

2、粒表面的微生物，通過呼吸作用釋放CO2使CaCO3顆粒周圍的pH降低，形成酸性的“微環(huán)境”;在這個“微環(huán)境”中CaCO3處于不飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致溶解。然而，該過程具體的溶解機制，調(diào)控機理仍沒有得到確認(rèn)。因此，本論文通過船載甲板和室內(nèi)培養(yǎng)實驗，探索飽和海水介質(zhì)中CaCO3溶解行為的控制因素和調(diào)控機理。
　　本論文內(nèi)容分成兩個部分，第一部分是通過船載甲板培養(yǎng)實驗，定性研究南海次表層海水對天然礦物方解石表面形貌的影響;第二部分采用室內(nèi)培

3、養(yǎng)手段，通過宏觀水化學(xué)濃度分析和微觀顆粒結(jié)構(gòu)觀察，對飽和海水中三種不同形態(tài)的CaCO3的溶解行為進行了定量研究:包括兩種非生源CaCO3(天然礦物方解石和文石)和一種生源CaCO3(顆石藻Emiliania huxleyi)。
　　在船載甲板培養(yǎng)的實驗中，本論文通過對比南海次表層海水浸泡前后的方解石表面形態(tài)，發(fā)現(xiàn)海水浸泡24小時后的方解石表面附著一層有機物膜，且在海水作用下，其表面粗糙度（即最高點和最低點之間的垂直距離）變大。該實

4、驗說明海水介質(zhì)會對方解石產(chǎn)生一定影響;但具體的定量研究需要進行進一步的室內(nèi)培養(yǎng)實驗。
　　在方解石的室內(nèi)培養(yǎng)實驗中，本研究使用廈門五緣灣海水并保留海水中的原位菌，設(shè)置無菌對照組、細菌稀釋組和細菌富集組，每組設(shè)置三個平行實驗，加入方解石，對其進行40天的暗培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)體系內(nèi)的細菌通過呼吸作用氧化分解有機物，使溶解無機碳(DIC)在培養(yǎng)瓶中富集，細菌稀釋組和細菌富集組pH都下降了約0.1個單位，并發(fā)現(xiàn)CaCO3的溶解，速率為0

5、.92±0.06μmol·kg-1·d-1和1.03±0.13μmol·kg-1·d-1;同時方解石表面觀察到了附著的細菌;在細菌作用下，方解石的表面產(chǎn)生了球狀有機物。該實驗說明短周期的室內(nèi)培養(yǎng)，細菌的作用能夠使飽和海水中的方解石發(fā)生微弱的溶解。
　　在文石的培養(yǎng)實驗中，同樣選擇廈門五緣灣海水并保留海水中的原位菌，設(shè)置無菌對照組和有菌組，每組設(shè)置三個平行實驗，加入文石，對其進行40天的暗培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于無菌組，在文石飽和度(

6、Ωaragonite)大于1的條件下，有菌組Ca2+和堿度(TA)呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢，說明細菌的存在會使文石發(fā)生溶解，溶解速率為3.27±1.33μmol·kg-1·d-1;同時文石表面包裹一層有機物膜并出現(xiàn)大量腐蝕點。該實驗說明短時間的室內(nèi)培養(yǎng)，細菌的存在會使飽和海水中的文石發(fā)生溶解。
　　在顆石藻的培養(yǎng)實驗中，首先對Emiliania huxleyi進行了純化和擴大培養(yǎng)，設(shè)置無菌對照組和有菌組，每組設(shè)置三個平行實驗，接入等量經(jīng)純

7、化的顆石藻，有菌組接入南海南海海盆區(qū)域東南亞時間序列站(SEATS站)六種純化菌株，進行40天的培養(yǎng)。實驗結(jié)果表明，在指數(shù)期，細菌對顆石藻無顯著影響，但細菌會縮短顆石藻的穩(wěn)定期，加速其進入衰亡期;同時，顆石藻的衰亡也會促進細菌的繁殖。與無菌組對比，由于細菌的呼吸作用，有菌組溶解有機碳(DOC)表觀產(chǎn)生量減少，被再礦化溶出的營養(yǎng)鹽增多，DIC積累增大。培養(yǎng)的后期（第14-40天），在海水飽和的條件下，無菌組和有菌組都觀察到了CaCO3的溶

8、解，無菌組溶解速率為3.08±1.05μmol·kg-1·d-1，有菌組溶解速率為4.12±0.81μmol·kg-1·d-1，即細菌導(dǎo)致了額外的CaCO3溶出。結(jié)合電鏡掃描圖像和熒光顯微鏡照片，發(fā)現(xiàn)細菌依附顆石藻顆粒生長，對CaCO3骨架有明顯的腐蝕破壞。該實驗表明細菌會加速顆石藻的衰亡，在過飽和狀態(tài)下引起顆石粒的破碎溶解;同時也表明處在衰亡期的顆石藻分泌的代謝物質(zhì)也會使顆石粒溶解。
　　綜上所述，本論文主要使用室內(nèi)培養(yǎng)實驗的方