久坐不动的鱼类 Cynoglossus joyneri揭示了吕泗渔场沿海水域中的微塑料污染问题

《European Annals of Otorhinolaryngology, Head and Neck Diseases》：Sedentary fish Cynoglossus joyneri reveals microplastic pollution in the coastal water of Lvsi Fishing Ground

氧、营养盐及痕量元素在水-沉积物界面动态变化的研究，通过在Berre、Thau和Prévost潟湖部署BOGOS系统，分析昼夜及缺氧/厌氧条件下浓度梯度，揭示环境分层、水体混合强度等技术限制对梯度法适用性的影响，证实该方法可有效捕捉沉积物-水界面溶解氧昼夜波动及痕量元素（Mn、Fe、As等）在缺氧条件下的沉淀与释放机制，但需结合湍流扩散参数完善溶质通量计算。

　　在浅水近海环境中，沉积物-水界面（SWI）的氧气、营养物质和污染物通量对水质和生态状况具有深远影响。这些通量的短期变化，往往受到水动力条件和底栖生物地球化学过程的影响，使得评估这些通量的净平衡变得困难。因此，本研究旨在通过分析底栖边界层（BBL）中的浓度梯度，以更深入的方式理解这些通量的时间变化特征。为了实现这一目标，我们选取了三个受缺氧事件影响的浅水地中海沿海泻湖——Berre泻湖、Thau泻湖和Prévost泻湖，这些泻湖具有不同的水质状况。在这些泻湖中，我们部署了底栖氧气梯度观测系统（BOGOS），连续记录了两周内的氧气浓度梯度时间序列。此外，我们还利用专门设计的底栖水采样器（SUSANE）在不同氧分压条件（好氧、缺氧、无氧、硫化物条件）和昼夜循环中获取了营养物质（硅、铵、磷酸盐）和微量元素（铁、锰、钴、砷、铜、钼、甲基汞）的浓度梯度数据。这些数据不仅有助于更准确地界定浓度梯度方法在浅水近海区域的应用范围，还能够揭示不同氧分压条件下底栖过程的动态变化，如Prévost和Thau泻湖中的昼夜氧气变化，以及Berre泻湖中裸露沉积物主导的高氧气需求。此外，Berre泻湖的底栖浓度梯度显示了在长期缺氧事件后，正常氧分压条件下沉积物释放营养物质的现象，以及在缺氧条件下释放溶解的锰、铁、砷和钴。在硫化物条件下，大多数微量元素的浓度梯度发生逆转，这些元素由于与硫化物矿物的共沉淀而被沉积物捕获，而营养物质的浓度梯度则表明其持续向水体释放。因此，底栖浓度梯度方法在评估浅水近海泻湖中底栖通量的动态变化方面展现出良好的前景。为了进一步提高对底栖通量的理解，还应结合垂直湍流扩散系数的测量，以获取各种溶质的湍流通量时间序列。

近海地区长期以来受到富营养化、污染和缺氧事件的影响，导致水质下降和生态状况恶化。尽管通过控制流域内的营养物质和化学物质输入，一些近海区域的生态状况得到了改善，但许多区域仍然面临严重的退化问题。目前认为，沉积物在长期中储存了大量营养物质和污染物，如今正成为这些化学物质向水体释放的重要非点源。此外，沉积物的底栖氧气需求（或消耗）可能也是导致近海缺氧事件的重要因素。在水体中，氧气浓度是驱动表层沉积物生物地球化学过程的关键因素，影响氧气、营养物质和污染物在沉积物-水界面的传输方向、强度和性质。水体中氧气浓度的波动幅度和频率可能导致沉积物在相对较短的时间内从吸收体转变为释放体。由于对这些动态机制的理解尚不充分，目前很难准确评估沉积物在这些近海区域的化学预算中的作用，以及其在化学和生态退化过程中的参与程度。因此，增强对沉积物-水界面溶质交换在适当短时间尺度上的理解，对于明确底栖生物地球化学循环和制定有效的环境管理策略至关重要。

近年来，浓度梯度在底栖边界层（BBL）中的应用被认为是评估水体与沉积物之间化学交换的一种有效手段。这些梯度具有非侵入性和反映现场条件的优势，因此被认为能够直接揭示水体与沉积物之间溶质传输的方向。负梯度（如红色曲线，图1）表示溶质从沉积物向水体传输，这是由于沉积物-水界面处的溶质生成或释放过程。相反，正梯度（如橙色曲线，图1）则表明溶质从水体向沉积物传输，这是由于沉积物-水界面处的溶质消耗或去除过程。尽管不同研究中的垂直分辨率和高度有所不同，但近年来已有研究报道了不同溶质的浓度梯度。例如，Coogan等人（2022）在珊瑚礁、海草和沙质沉积物中分别计算了平均绝对氧气浓度梯度为4.0、3.1和1.6 mmol m??（2个层次，位于1米高度内），并利用这些结果评估了底栖的消耗和生产速率。在波罗的海，Plass等人（2022）报告了锰的线性浓度梯度为-0.04 mmol m??（5个层次，位于2.6米高度内），表明溶质从沉积物向水体传输，与孔隙水浓度梯度结果一致。Holtappels等人（2011）在0.75米高度内对8个层次进行了采样，报告了氧气和铵的绝对浓度梯度分别为29.6和0.8 mmol m??，并通过浓度梯度比值估算碳矿化速率。Knoery等人（2019）在高空间分辨率下（11个层次，位于0.4米高度内）报告了不同溶质的浓度梯度，其中TCO?的梯度高达-1300 mmol m??，硫化物的梯度为-347 mmol m??，总汞物种的梯度为-3.10?? mmol m??。大多数这些剖面显示了靠近沉积物的层次中浓度的急剧上升，表明沉积物的源或汇作用。D'Ambrosio等人（2022）测量了无氧沉积物中甲烷的浓度梯度（2至3个层次，位于0.9米高度内），发现这些梯度在BBL的下部（0.1至0.4米高度内）比上部（0.4至0.9米高度内）强三倍，并且具有时间变化特征。

除了这些应用，浓度梯度还能够与湍流扩散系数相结合，通过梯度-通量（GF）方法推导出相应的底栖通量。然而，这些先前研究中并未讨论浓度梯度的特征（如形状和强度），尽管这些特征对最终计算的通量值具有重要意义。此外，大多数浓度梯度的测量集中在氧气上，而对其他溶质如营养物质和微量元素的研究较少。最后，这种方法在具有高短期变化的浅水近海环境中的适用性尚未得到充分探讨。

本研究旨在通过详细评估氧气、营养物质和微量元素的浓度梯度，弥补这些科学空白，从而更好地理解其在刻画底栖过程和沉积物-水界面化学传输动态方面的潜力。为了实现这一目标，我们在三个受缺氧事件影响的浅水地中海沿海泻湖——Berre泻湖、Thau泻湖和Prévost泻湖中进行了测量。这些泻湖具有不同的生态状况，因此我们选择了它们作为研究对象。研究的主要目标包括：（1）讨论浓度梯度方法在不同浅水近海环境中的适用范围；（2）表征沉积物-水界面的昼夜氧气动态；（3）研究营养物质和微量元素在不同氧分压条件下的交换情况。通过这些研究，我们希望进一步明确浓度梯度方法在浅水近海区域的局限性，并探索其在动态环境中的应用潜力。

研究站点的选择基于其在不同水文和生物地球化学条件下的代表性。Berre、Thau和Prévost泻湖均属于法国地中海沿岸的浅水区域，它们的生态环境和水质状况存在显著差异。这些泻湖不仅具有较高的生产力，还因富营养化和微量元素污染而成为研究的热点。Berre泻湖的水质状况较为恶劣，常受到缺氧事件的影响，而Thau和Prévost泻湖则相对较好，显示出不同的生态状态。这些泻湖的环境条件和水文特征为研究提供了丰富的背景，使得我们能够更全面地分析浓度梯度方法在不同情境下的表现。此外，这些泻湖的沉积物类型和生物群落也存在差异，例如Prévost和Thau泻湖中生长有大型植物，而Berre泻湖则为裸露沉积物，这些差异进一步增加了研究的复杂性。

在部署BOGOS和SUSANE期间，我们记录了水体中的物理化学参数，这些参数对于理解浓度梯度的变化至关重要。风速和水位的变化是影响这些参数的重要因素。Berre和Prévost泻湖的风速较高，甚至超过了15 m/s，而Thau泻湖的风速则相对较低，低于10 m/s。这些差异导致了不同泻湖中水体混合和溶质传输的模式不同。此外，水位的变化也受到潮汐作用的影响，这种作用在不同泻湖中表现出不同的强度和频率。这些环境条件的变化不仅影响了水体中的溶质浓度，还可能对浓度梯度的形成产生重要影响。因此，在分析浓度梯度时，必须考虑到这些环境因素的变化，以更准确地评估其与底栖过程之间的关系。

在研究过程中，我们发现不同水体质量在BBL中的存在可能导致浓度梯度的形成，这些梯度可能与底栖过程无关。通过计算得到的SI值表明，即使在接近海底的水体中，也可能发生水体分层现象。这种现象主要出现在Berre泻湖中，占观测数据的38%。在这些分层条件下，氧气浓度梯度显著增强，最高可达0.53 mol m?1。这些高浓度梯度的出现可能与沉积物-水界面处的生物地球化学过程有关，如有机物的分解和氧化反应。此外，这些分层现象还可能影响其他溶质的传输，例如营养物质和微量元素的释放或捕获。因此，在分析浓度梯度时，必须区分这些由环境条件引起的梯度与由底栖过程引起的梯度，以避免误解。

本研究还探讨了不同氧分压条件下浓度梯度的变化特征。在好氧条件下，沉积物-水界面处的溶质传输主要表现为营养物质和微量元素的释放。而在缺氧或无氧条件下，这些溶质的传输方向可能发生变化，部分溶质可能被沉积物捕获，例如通过与硫化物矿物的共沉淀作用。在硫化物条件下，大多数微量元素的浓度梯度发生逆转，这表明这些元素可能被沉积物捕获并储存，而营养物质的浓度梯度则表明其持续向水体释放。这些变化特征为理解底栖过程在不同氧分压条件下的动态提供了重要依据。此外，昼夜循环对浓度梯度的影响也十分显著，例如在Prévost和Thau泻湖中，由于大型植物的生长，沉积物-水界面处的氧气浓度在白天和夜晚之间存在明显的波动。这些波动不仅反映了植物的光合作用和呼吸作用，还可能影响其他溶质的传输。因此，在分析浓度梯度时，必须考虑昼夜循环的影响，以更准确地评估其与底栖过程之间的关系。

通过本研究，我们发现浓度梯度方法在浅水近海环境中的应用具有一定的局限性。首先，水体分层现象可能导致浓度梯度的形成，这些梯度可能与底栖过程无关，从而影响对溶质传输的判断。其次，化学物质的输运可能受到水体混合和湍流扩散的影响，这些因素可能导致浓度梯度的波动或不稳定性。此外，底栖通量的强度可能受到多种因素的调控，例如沉积物的类型、生物群落的结构和水体的物理化学条件。因此，在使用浓度梯度方法评估底栖通量时，必须考虑到这些因素的变化，以避免低估或高估通量的强度。最后，浓度梯度的测量还受到技术条件的限制，例如采样器的精度和分辨率，这些限制可能影响对浓度梯度的准确描述。因此，在分析浓度梯度时，必须结合这些技术因素，以更全面地评估其与底栖过程之间的关系。

本研究的成果不仅有助于更准确地界定浓度梯度方法的应用范围，还能够揭示不同环境条件下底栖过程的动态变化。这些变化对于理解浅水近海区域的化学预算和生态状况具有重要意义。此外，本研究还强调了结合垂直湍流扩散系数测量的必要性，以获取更准确的底栖通量时间序列。这种综合方法能够更全面地评估溶质交换的动态，从而为制定有效的环境管理策略提供科学依据。未来的研究可以进一步探讨浓度梯度方法在不同时间和空间尺度上的适用性，以及其在其他类型近海环境中的应用潜力。此外，还可以结合其他测量技术，如光谱分析和同位素追踪，以更深入地理解溶质传输的机制和路径。这些研究将有助于推动对浅水近海区域生物地球化学循环和生态过程的全面认识，为环境保护和可持续发展提供更加坚实的科学基础。