KC-Denmark多通道蠕动泵助力海底“隐藏性”缺氧研究

近年来，由斯德哥尔摩大学等机构组成的研究团队借助丹麦KC-Denmark公司多通道蠕动泵，在波罗的海40米深站点实现了距海底0.5cm起的高分辨率分层水样同步采集，第一次揭示了长期被常规监测遗漏的底栖边界层“隐藏性"缺氧现象，打破了该站点30年“持续充氧"的历史记录。

研究背景

海洋底层缺氧是沿海生态系统面临的最严峻问题之一，但常规船载CTD和锚系传感器因技术限制，无法在海底以上1m范围内进行可靠测量，更难以捕捉分钟至小时尺度的剧烈波动。

波罗的海中部的Askö B1站自1992年以来的月度监测数据一直显示底层水体处于常氧状态（O₂>2 mg L^-1，约62.5 μmol L^-1），但该站点的沉积物富含有机质，具有很高的耗氧潜力。研究团队因此推测，真正的缺氧区域可能仅存在于沉积物-水界面以上数厘米的薄层内，而常规监测的采样高度恰好无法触及这一层。为了验证这一假设，就需要一台能够在不扰动沉积物的前提下，从多个贴近底质的高度同步采集水样的设备。

丹麦KC-Denmark公司多通道蠕动泵（图1）最大耐压6000m，6/12/18通道可选，最高转速10 rpm，单通道抽水能力可达14 mL/min。其主体采用AISI 316不锈钢材质，并可选配电池舱与编程触发器，预设多达24个独立采样任务。正是其多通道独立控制、低扰动采样和与着陆器系统无缝集成的能力，使之成为该项研究的核心工具。

图1 丹麦KC-Denmark公司12通道蠕动泵

研究过程

研究团队于2019年6月在Askö B1站（图2）布放了一台搭载垂直滑动CTD的多参数底栖着陆器，并集成了丹麦KC-Denmark公司12通道蠕动泵。泵的进水口分别设置在距海底0.5、2.5、2.8、4.4、5.8、7、9、12、15、22和56 cm共11个高度上。着陆器着底静置30分钟后，泵以极低流速将各层水样同步注入采样袋，避免交叉污染与沉积物扰动。

泵采水样与每20分钟一次的CTD剖面严格对齐，构建238小时、613个剖面的数据集。水样过滤称重，建立浊度-TSS（总悬浮固体）校准曲线以量化再悬浮颗粒物。同步开展涡动相关通量、流速及实验室沉积物实验，解析缺氧驱动机制。

图2 Askö B1采样站位

实验结果

1. 缺氧层被精确定位：

泵在0.5 cm和2.5 cm高度采集的水样中O₂浓度频繁低于63 μmol L^-1，而4.4 cm及以上高度水样的O₂浓度显著回升（图3，g-i），证明缺氧仅存在于海底以上4～5cm的狭窄薄层中。这一垂直范围低于常规监测的最小采样高度（>1 m），解释了长期数据失真的原因。

2. 再悬浮事件量化：

两次高流速事件中，泵采水样的TSS浓度飙升（图3，j-l），结合校准曲线计算得出底栖边界层内颗粒物负荷增加了6.6±2.1 g m^-2，相当于表层6 mm沉积物被扬起。同步涡动相关数据表明，事件后O₂通量从-6.9增至-10.3 mmol m^-2d^-1，证实了再悬浮对耗氧的刺激。

图3 g-i：底栖边界层O₂剖面图；j-l：底栖边界层浊度剖面图

3. 耗氧激增的实验室验证：

对泵采水样处的沉积物核心进行实验室模拟悬浮培养，显示悬浮颗粒物耗氧速率达16.8～31.7 μmol g^-1 h^-1，而移除表层4 mm沉积物后，扩散耗氧从20.1升至39.5 mmol m^-2 d^-1（表1）。这些数据直接支撑了“再悬浮暴露还原性硫化物和有机物，显著增强耗氧"的结论。

表1 沉积物扩散耗氧速率

研究结论

本研究证实：（1）波罗的海中部站点存在频繁发生的底栖“隐藏性"缺氧，16%的剖面数据低于缺氧阈值，但常规监测会漏报；（2）缺氧的短期波动由底栖边界层内水流辐合/辐散及再悬浮事件共同控制；（3）只有实现连续、高频率、多高度同步采样，才能准确评估海底生物的氧暴露风险。

丹麦KC-Denmark公司多通道蠕动泵在此次研究中展现了良好的多通道独立控制能力、超低扰动采样设计以及与复杂着陆器系统的兼容性，为精准定位薄层缺氧、量化再悬浮物质通量提供了不可替代的技术支撑。其模块化结构也使其适用于更多近底边界层生物地球化学研究场景。

参考文献

1. Fredriksson, J. P., Attard, K., Stranne, C., et al. (2024). Hidden seafloor hypoxia in coastal waters. Limnology and Oceanography, 69(11), 2489–2501. doi:10.1002