易科泰樣芯分析技術應用案例(十一)
高分辨率高光譜成像研究Jaczno半混合湖全新世光養(yǎng)生物群落和缺氧動態(tài)
上一期《易科泰樣芯分析技術應用案例》, 我們介紹了利用CORESCANNER X光芯體密度掃描成像與元素分析技術（XRF）和SPECIM樣芯高光譜成像技術（HSI）研究厄瓜多爾火山灰的案例，本期將介紹利用XRF和HSI研究波蘭東北部Jaczno半混合湖全新世光養(yǎng)生物群落和缺氧動態(tài)的案例。
淡水系統(tǒng)缺氧和混合方式改變的擴散傳播是日益引起人們關注的主要環(huán)境問題，根據(jù)預測，未來的氣候變化和人類影響將使水生生態(tài)系統(tǒng)日益惡化，對過去這種變化過程和驅動因素的研究可為將來預防和補救提供巨大助力。瑞士伯爾尼大學的研究人員使用多代理方法，將高分辨率高光譜成像（HSI）獲得的色素數(shù)據(jù)、XRF數(shù)據(jù)與超高效液相色譜葉綠素和類胡蘿卜素數(shù)據(jù)相結合，以研究波蘭東北部Jaczno半混合湖全新世（1萬年以內）營養(yǎng)狀態(tài)變化和缺氧演變。研究結果發(fā)表于2020年《Biogeosciences》（Holocene phototrophic community and anoxia dynamics in meromictic Lake Jaczno (NE Poland) using high-resolution hyperspectral imaging and HPLC data）。
研究顯示，9500年前，在盆地形成之后，Jaczno湖就具備了缺氧和硫化物條件；直到6700年前，湖泊的自養(yǎng)能力較低，濁度較高，并且在光養(yǎng)群落中綠色硫細菌（GSB）較為豐富，表明較深的有氧-缺氧邊界和弱分層態(tài)；6700-500年前之間的時期特征是湖泊產量不斷增加，并且從綠色硫細菌逐漸轉變?yōu)樽仙蚣毦?/span>PSB），這表明有氧-缺氧邊界更淺，分層明顯，然而沉積物中的球狀烯和精胺酮表明存在間歇性缺氧過程；500年前至今，人類影響力逐漸增強，森林砍伐和集約化農業(yè)加劇了湖泊的富營養(yǎng)化，紫色硫細菌占據(jù)主導地位，缺氧和半混合態(tài)開始建立，這項研究明確了人類對富營養(yǎng)化和缺氧過程的影響
XRF掃描通過伯爾尼大學實驗室的ITRAX CoreScanner（鉻管）進行，連續(xù)掃描步長為2mm（曝光時間20s，30kv，50mA），結果以計數(shù)（峰面積）的形式給出。從檢測到的元素中，Ti用作流域侵蝕輸入的替代物，Ca用作內生碳酸鈣的替代物，Si / Ti用作生物硅的替代物，S、Fe、Mn和Mn / Fe用作表征氧化還原條件的替代物。
同時，研究人員還使用了Specim V10E傳感器（光譜范圍400-1000nm，光譜分辨率2.8nm），對剛采集的半芯樣品進行高光譜成像掃描，后經ENVI軟件分析處理得到其相對吸收波段深度（RABD）數(shù)據(jù)。其中RABD673（光譜范圍590–730 nm）用于指示葉綠素及其成巖產物（TChl），代表該階段水體可正常進行初級生產；而RABD845（光譜范圍790–895 nm）用于指示細菌脫鎂葉綠素a和b（Bphe），代表該階段水體處于缺氧或半混合狀態(tài)。由于紫色硫細菌和非硫細菌在有光照的厭氧條件下產生大量Bphe a和b，而綠色硫細菌產生的Bphe c、d和e未被RABD845光譜范圍內吸收，因此基于高光譜數(shù)據(jù)推斷的細菌脫鎂葉綠素反映了水體中紫色細菌的含量。
這項研究顯示出結合HPLC數(shù)據(jù)進行校準和驗證的HSI測量的巨大潛力，而Jaczno湖提供了很理想的樣芯，可以探索在自然分層的湖泊系統(tǒng)中，從小到*烈的人類影響，可能導致湖泊混合，生產和持續(xù)的底部缺氧的變化機制。該研究，以及歐洲其它湖泊的相關研究，可以擴展人類對這些主要環(huán)境問題的理解，同時為將來實施有效的技術修復提供可行性參考。
研究結果見下圖：
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