2材料和方法

2.1采样

在日本八户市新田河的两个点（点1和点2）收集了沉积物样品和河水（图1）。新田河流经八户市的农业区和市区。八户市的人口约为245,000人。在新田河下游附近有几家加工海产品的工厂。河水样品收集于2002年4月和12月。研究期间，点2处的流量范围为212至2.3立方米/秒，平均为15立方米/秒。最大的潮汐变化范围为130厘米。点1和点2分别位于距离河口约1.5公里和8.0公里处。使用直径为4厘米的聚甲基丙烯酸甲酯管轻微干扰地收集沉积物样品。将沉积物和河水样品转移到实验室，并在12小时内使用下述方法进行分析。

图1显示了日本八户市新井田河中采样点（点1和点2）的地图。

2.2微电极测量

在实验室中，根据其他报道的方法记录了沉积物中氧气（O2）、氨（NH4+）、亚硝酸盐（NO2）、硫化氢（H2S）和pH的稳态浓度剖面。制备了尖端直径约为15微米、90%响应时间小于0.5秒的氧气克拉克型微电极，并按照Revsbech的描述进行了校准[11]。构造、校准和使用了NH4+、NO2和pH的LIX型微电极[12]，并根据其他地方的协议使用[13]。根据[14]的描述制备了硫化氢微电极，并按照其他地方的描述进行了校准和使用[15]。

使用丙烯酸板构建了一个流动电池反应器（60(L)×10(W)×5(H)cm³）用于微电极测量（图2）。将沉积物样品放置在反应器中，微生物垫表面与流动电池的底部对齐。以平均液体速度为2厘米/秒向反应器供给5.0升的介质进行微电极测量。为了创建平行的、无湍流的流动，将金属网安装在反应器的上游。微生物垫表面上方的水深约为1厘米。在测量沉积物中的氧气浓度剖面时，采用采样点采集的原始河水作为微电极测量的介质。光强度从10至1900毫摩尔光子/平方米/秒进行调整。在测量沉积物中NH4+、NO2、H2S和pH的微区剖面时，使用合成介质以避免与LIX型微电极的干扰。合成介质由NH4Cl（50 mM）、NaNO2（40 mM）、NaNO3（100 mM）、Na2SO4（2000 mM）、Na2HPO4（3000 mM）、MgCl2·6H2O（84 mM）、CaCl2（200 mM）、EDTA（270 mM）组成。pH调整到7.5。光强度调整为10毫摩尔光子/平方米/秒。然后将沉积物在20℃的介质中至少培养30分钟，以确保获得稳态剖面。微电极安装在电动微操作器上进行精确定位，并以0.05-0.3毫米的间隔记录了沉积物中的浓度剖面，从散装液体进入沉积物[13]。使用剖析显微镜型号Stemi 2000;卡尔蔡司确定了微生物垫的表面。实验过程中，卤素灯提供所需的光照。对于每个物种和条件，至少测量了沉积物中不同位置的至少三个浓度剖面。在人工光-暗周期期间测量氧气浓度时，将沉积物照射光强为1900毫摩尔光子/平方米/秒，持续10分钟，然后将电极插入沉积物中。然后，将沉积物遮蔽，并保持在黑暗中，直到氧气浓度稳定。然后再次将沉积物照射光强为1900毫摩尔光子/平方米/秒，并保持在光照中，直到氧气浓度稳定。进行两次光-暗周期后，将电极插入更深的层次中。

图2流动池反应器设置示意图

2.3代谢率的计算

根据Fick第二扩散定律，使用平均稳态浓度剖面计算了沉积物中氧气的净特异产率（Pnet）或氧气的净消耗率（Cnet），包括产生或消耗项：Ds(d2Cs(z)/dz2)=Cnet or Pnet，其中Ds为氧气的有效沉积物扩散系数，Cs(z)为深度z处的氧气浓度。这种方法的细节已由Lorenzen等人[16]先前描述。

根据Ullman和Aller的方法[17]，从氧气的自由溶液分子扩散系数（D0）和沉积物孔隙度（F）计算了Ds：Ds=F2D0。文献中找到了20℃时氧气的D0值为2.09×10^(-5)cm^2/s[18]。在调查的沉积物相关深度处的孔隙度和Ds总结如表2所示。

采用同样的氧气微电极通过光-暗-转移法确定了总光合速率（Pgross），其中在暗周期内氧气浓度的减少是由下式计算的：Pgross=-dCs(t)/dt，其中dCs(t)/dt是黑暗化后2秒内氧气消失的速率。这种方法的理论已在其他地方描述[20]。在长时间照明后，沉积物中将接近稳态氧气剖面。在稳态时，任何层中的光合氧气产生将与由于呼吸和氧气从该层扩散而产生的损失平衡（如果有净扩散到该层，则为负值）。当突然停止照明时，扩散和呼吸最初不变，因此该层中的氧气浓度将以与以前的光合速率相等的速率下降。此外，从这些速率中通过减去净光合速率获得了各层沉积物的特定氧气呼吸率（RO2）。

2.4分析方法

化学需氧量（COD）使用高锰酸钾作为氧化剂，生化需氧量（BOD）和溶解有机碳（DOC）按照标准方法[21]进行分析。氨（NH4+）和亚硝酸盐（NO2）浓度是用比色法确定的。亚硝酸盐（NO3）和硫酸盐（SO4 2）浓度是用带有Shim-packIC-A1柱的离子色谱仪（HIC-6A；Shimadzu）确定的。NH4+、NO2、NO3和SO4 2的样品在分析前经过0.2μm膜过滤。沉积物的孔隙度是根据Murdroch和Azcue的方法[22]进行分析的。点燃损失是在600℃下点燃2小时后挥发物的损失。使用原子吸收分光光度计（AA-670；Shimadzu）在适当的样品预处理后分析了沉积物中的总铁（T-Fe）浓度[21]。光强度由量子计（富士原科学公司）测量，该量子计只在400-700纳米区域感知。所有测量均在水面以上进行。盐度使用盐度计测量。氧气浓度和pH值分别使用氧电极和pH电极测定。

3结果与讨论

3.1河水和沉积物的物理和化学参数

表1显示了点1处的河水（n=57）的物理和化学参数（平均值±标准偏差）。点1处的河水质量相对较污染，BOD较低，NH4+浓度在点2处低于检测限（未显示数据）。点1处的平均NO3-浓度为127 mM。SO4 2-浓度和盐度波动较大，表明点1位于潮汐区域。点1处的沉积物在春潮期间暴露在大气中几个小时。点1处的沉积物由沙子组成，点2处的沉积物由淤泥组成[22]。在点1处的沉积物表面有约1毫米厚的棕色微生物垫。微生物垫下面是一个黑色层，表明沉积物中有硫化铁（FeS）的沉淀。表2总结了所研究沉积物相关深度处氧气的孔隙度和Ds的平均值，其是根据水中氧气的分子扩散系数和孔隙度的平均值计算得出的。孔隙度的平均值（n=6）随深度略微减小。在点1和点2（n=6）处的沉积物上部5毫米的点火损失分别为4.87±0.5%和3.47±0.5%。在点1处的沉积物中发现了约2,000个个体/平方米的底栖动物（Tylorrhynchus heterochaetus）。图3显示了点1处沉积物中T-Fe的平均浓度剖面（n=6）。微生物垫中的T-Fe平均浓度为21 mg/g干重。T-Fe浓度随深度略有增加，最大浓度在4-5毫米深度处为25±12 mg/g。

表1新井田河点1河水的物理和化学参数总结。数值表示平均值和标准偏差。

表2调查沉积物相关深度处的孔隙度和有效沉积物氧扩散系数（Ds）的平均值和标准偏差。

图3点1沉积物中T-Fe的平均浓度剖面。误差条代表测量的标准偏差。微生物垫和沉积物分别用灰色区域和虚线区域表示。

图4显示了2003年6月点1处沉积物表面的日光强度的日变化情况。随着太阳升起，光强度增加，并在晴天的中午前达到最大值（1920 mmol photons/m2/s）。然后，在下午光强度逐渐降低。阴天的光强度也呈现相同的趋势，但是低于晴天的光强度的一半。即使在晴天，当云朵遮蔽沉积物表面时，光强度也会在几秒钟内降至阴天的水平。

图4点1的日照强度的昼夜周期。晴天和阴天的光强度分别用开放的圆圈和实心圆圈表示。从日落到日出的时间跨度用灰色阴影表示。这些测量是在2003年6月进行的。