研究背景：微生物墊群落在水生環(huán)境中分布廣泛，在物理和生物擾動(dòng)最小的地方往往能獲得較高的生物量。南極洲南部維多利亞(MDV)的湖泊位于地球上最寒冷和干燥的沙漠之一與年平均山谷底部溫度范圍從-14.8到-30.0，年降水量為100毫米,這些湖泊厚常年冰雪覆蓋,缺乏風(fēng)力動(dòng)蕩，沉積較低利率和截?cái)嗍澄锞W(wǎng),通常缺乏宏觀的真核生物。研究人員應(yīng)用了一臺(tái)自動(dòng)氧微分析儀器（MP4原位剖面分析儀）測(cè)量了南極霍爾湖冰層中微生物墊的氧通量。研究人員通過使用已建立的方法從特定的氧剖面來估計(jì)活動(dòng)率，MP4原位剖面分析儀測(cè)量湖泊底部沉積物-水界面處的氧氣剖面隨時(shí)間的變化，并同步結(jié)合開發(fā)了一個(gè)模擬微生物墊子內(nèi)的氧氣動(dòng)力學(xué)，耦合擴(kuò)散、光合作用(根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理估算)和呼吸作用(根據(jù)近黑暗時(shí)的耗氧量估算)，以確定這些過程如何影響剖面內(nèi)的氧氣動(dòng)力學(xué)。

野外微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

使用了一種MP4原位剖面分析儀結(jié)合氧微電極原位的測(cè)試了湖泊底部的微生物墊獲中的溶氧濃度（DO）的高分辨率剖面。MP4原位剖面分析儀配備了克拉克型水下溶氧微電極和電動(dòng)機(jī)械臂，允許驅(qū)動(dòng)溶氧微電極進(jìn)入沉積物的最小步徑的垂直分辨率小于<5 um，其中溶氧微電極的尖端直徑為50um，響應(yīng)時(shí)間小于1s，在實(shí)驗(yàn)部署前，氧電極在環(huán)境溫度下使用100%和0%飽和空氣蒸餾水進(jìn)行校準(zhǔn)。潛水員將MP4剖面儀的微電極感應(yīng)端放置在離微生物藻墊表面約10毫米處，然后返回到地面。讓儀器穩(wěn)定至少4小時(shí)。MP4微剖面儀設(shè)定相關(guān)程序如下，每隔60分鐘將微電極插入微生物藻墊，每次的插入間隔為250um，暫停5秒后，記錄兩次DO濃度測(cè)量。然后電極被放回到起始位置，并向旁邊移動(dòng)幾毫米，以避免重復(fù)定位相同的位置。MP4剖面儀通常在每天早上進(jìn)行重新定位，剖面儀從接近當(dāng)?shù)刂形鐣r(shí)間(13:00 h)到當(dāng)?shù)匚缫惯M(jìn)行測(cè)試，之后為MP4剖面儀供電的電池進(jìn)行充電。

圖1、MP4原位剖面分析儀測(cè)試南極湖泊底部的微生物墊獲中的溶氧濃度（DO）

在霍爾湖海拔10米的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)刂形绾臀缫沟难鯕馄拭鎸?duì)比。(B)在10米深的四個(gè)單獨(dú)實(shí)驗(yàn)中，中午至午夜期間的凈氧濃度下降。

(A)Hoare湖近中午至午夜兩個(gè)時(shí)間序列中微生物墊中溶解氧濃度(mmolL-1)的輻照度(B,C)等值線圖。微生物藻墊-水界面處用白線表示

在霍爾湖10米深度的代表性時(shí)間序列實(shí)驗(yàn)剖面上的輻照度、氧析出和最大氧濃度

(A)氧通量與時(shí)間的關(guān)系;(B)輻照度與氧通量的關(guān)系。來自6個(gè)時(shí)間序列的數(shù)據(jù)被組合在一起，每個(gè)數(shù)據(jù)集使用不同的符號(hào)表示。

Hoare湖10米高氧動(dòng)力學(xué)模擬。(A)6h觀測(cè)數(shù)據(jù)。(B)模擬擴(kuò)散對(duì)起始剖面的影響。(C)完整模式，包括呼吸和光合作用。(D)利用環(huán)境輻照度數(shù)據(jù)，模擬由午夜觀測(cè)值所得的氧氣分布圖?？梢钥吹矫姘逯g12:00 h曲線的細(xì)微差異，因?yàn)橛^測(cè)是在0.25 mm深度增量時(shí)進(jìn)行的，而模型是在1 mm增量時(shí)運(yùn)行的。

基于測(cè)量的起始剖面模擬24小時(shí)內(nèi)的氧氣動(dòng)力學(xué)。(A)用于模擬的測(cè)量輻照度。(B)微生物mat中模擬的總光合產(chǎn)氧量和(C)氧動(dòng)力學(xué)。單位為mmol L-1 h-1表示光合作用，mmol L-1表示濃度。模擬的前12h對(duì)應(yīng)圖。白線表示微生物藻墊-水界面。