Organic sulfur from source to sink in low-sulfate Lake Superior  

低硫酸鹽蘇必利爾湖中有機(jī)硫的來(lái)源與歸宿  

來(lái)源：Limnol. Oceanogr. 9999, 2023, 1-17

《湖沼學(xué)和海洋學(xué)》第9999卷，2023年，第1-17頁(yè)

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出：有機(jī)硫在低硫酸鹽環(huán)境（如淡水湖和古海洋）沉積物的生物地球化學(xué)循環(huán)中至關(guān)重要。本研究以硫酸鹽貧乏（<40μM）、富鐵（30-80μM）的蘇必利爾湖沉積物為對(duì)象，追蹤有機(jī)硫從來(lái)源到歸宿的全過(guò)程。通過(guò)宏基因組測(cè)序識(shí)別微生物群落，結(jié)合孔隙水和固相地球化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)沉積物中活躍的硫循環(huán)主要由氧化態(tài)有機(jī)硫驅(qū)動(dòng)。沉積物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)微生物能水解磺酸鹽、硫酸酯和磺酸產(chǎn)生硫酸鹽；硫酸鹽還原基因（dsrAB）豐度隨深度增加并與硫化物峰值吻合。盡管存在硫化物生成跡象，但由于黃鐵礦化和有機(jī)質(zhì)硫化作用，硫化物濃度保持低位（<40 nM）。在氧化還原界面下方，黃鐵礦占沉積物總硫的13%，同時(shí)該層段游離脂質(zhì)和完整脂質(zhì)中二硫化物積累，表明低硫濃度下硫化作用仍快速發(fā)生。這一模型揭示了有機(jī)硫在低硫酸鹽環(huán)境中既作為硫酸鹽還原的燃料，又消耗其產(chǎn)物的雙重角色。

 

研究目的

揭示低硫酸鹽湖泊沉積物中有機(jī)硫循環(huán)路徑及其對(duì)碳、鐵循環(huán)的影響。  

 

識(shí)別驅(qū)動(dòng)硫酸鹽還原的關(guān)鍵微生物類(lèi)群及有機(jī)硫來(lái)源（氧化態(tài) vs. 還原態(tài)）。  

 

闡明微生物還原產(chǎn)生的硫化物的歸宿（黃鐵礦化 vs. 有機(jī)硫化作用）。  

 

研究思路

樣品采集：  

 

選取蘇必利爾湖兩個(gè)站點(diǎn)（Isle Royale-IR 富有機(jī)質(zhì)/缺氧 vs. Western Mooring-WM 貧有機(jī)質(zhì)/富氧），獲取沉積物巖芯、孔隙水和微生物樣品。  

實(shí)驗(yàn)分析：  

 

微生物群落：宏基因組測(cè)序鑒定含dsrAB基因的硫酸鹽還原菌（圖3）。  

 

 

有機(jī)硫培養(yǎng)：添加不同氧化態(tài)有機(jī)硫（半胱氨酸-1、甲硫氨酸0、?；撬?4、十二烷基硫酸鈉+6），檢測(cè)硫酸鹽生成（圖2）。  

 

 

孔隙水化學(xué)：測(cè)量硫酸鹽、硫化物、半胱氨酸濃度（圖4）。  

 

 

固相硫形態(tài)：分離脂質(zhì)（游離/完整）和原干酪根，XAS/XRF分析硫形態(tài)（圖5-7）。  

 

 

 

 

數(shù)據(jù)整合：  

 

關(guān)聯(lián)微生物分布、硫轉(zhuǎn)化路徑及硫歸宿空間分布（如氧化還原界面定位依賴Unisense氧微電極數(shù)據(jù)）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

沉積物培養(yǎng)硫酸鹽生成（圖2）：  

 

意義：牛磺酸（磺酸）和十二烷基硫酸鈉（硫酸酯）顯著促進(jìn)硫酸鹽生成，證實(shí)氧化態(tài)有機(jī)硫是微生物硫酸鹽還原的主要底物。  

微生物群落與dsrAB基因（圖3）：  

 

意義：IR站缺氧層富集脫硫桿菌門(mén)（Desulfobacterota）、硝化螺旋菌門(mén)（Nitrospirota）等含dsrAB的菌群（深度>4cm），其豐度與硫化物峰值（圖4b）耦合，指示活躍硫酸鹽還原。  

孔隙水硫化物濃度（圖4b）：  

 

意義：IR站硫化物峰值僅36 nM（遠(yuǎn)低于模型預(yù)測(cè)的10μM），揭示高效硫消耗機(jī)制（黃鐵礦化+有機(jī)硫化作用）。  

固相硫形態(tài)與分布（圖5-7）：  

 

黃鐵礦硫（圖5b）：IR站4-5cm深度峰值（169 μg S g?1），占該層總硫13%，證實(shí)黃鐵礦化消耗硫化物。  

 

脂質(zhì)二硫化物（圖6a,c；圖7a）：IR站4-5cm完整脂質(zhì)中二硫化物達(dá)7.4 μg S g?1（峰值深度與黃鐵礦一致），證明有機(jī)硫化作用消耗硫化物并增強(qiáng)脂質(zhì)保存。  

XAS/XRF硫形態(tài)（圖6）：  

 

意義：IR站缺氧層脂質(zhì)中二硫化物占比顯著高于WM站（游離脂質(zhì)68% vs. 27%），反映硫化物與有機(jī)質(zhì)反應(yīng)的空間特異性。  

 

結(jié)論

有機(jī)硫驅(qū)動(dòng)硫酸鹽還原：氧化態(tài)有機(jī)硫（磺酸鹽、硫酸酯）是微生物硫酸鹽還原的主要底物（圖2），微生物水解作用將其轉(zhuǎn)化為硫酸鹽。  

 

硫化物高效消耗：低硫濃度下（<40 nM），硫化物通過(guò)黃鐵礦化（圖5b）和有機(jī)硫化作用（脂質(zhì)二硫化物積累，圖6-7）被快速消耗。  

 

微生物群落功能：缺氧沉積物富集多樣硫酸鹽還原菌（Desulfobacterota等），其dsrAB基因豐度與硫化物峰值耦合（圖3-4）。  

 

模型普適性：有機(jī)硫在低硫酸鹽環(huán)境中既是硫酸鹽來(lái)源又是硫化物匯的雙重角色（圖8），可拓展至古海洋等類(lèi)似環(huán)境。  

 

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀

 

丹麥Unisense氧微電極（Clark型）在研究中用于測(cè)定沉積物氧滲透深度，其數(shù)據(jù)意義如下：  

精準(zhǔn)定位氧化還原界面：  

 

測(cè)得IR站氧滲透深度為~4 cm（圖4中虛線），明確劃分氧化層（硫酸鹽生成區(qū)）與缺氧層（硫酸鹽還原區(qū)）。  

 

該界面控制硫轉(zhuǎn)化熱點(diǎn)：硫酸鹽還原、硫化物生成及其后續(xù)消耗（黃鐵礦化/有機(jī)硫化作用）均富集于此（圖5-7峰值在4-5cm）。  

解析硫循環(huán)空間分異：  

 

結(jié)合界面位置，揭示微生物群落（圖3a,b）和硫形態(tài)（圖6）在氧化還原梯度的突變：如dsrAB菌群和還原態(tài)硫（二硫化物）在缺氧層顯著富集。  

支撐地球化學(xué)模型校準(zhǔn)：  

 

實(shí)測(cè)氧梯度為硫循環(huán)數(shù)值模型（如Fakhraee et al. 2017）提供關(guān)鍵邊界條件，校正硫化物通量預(yù)測(cè)（實(shí)測(cè)36 nM << 模型10μM）。  

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：  

 

微米級(jí)空間分辨率避免傳統(tǒng)分層采樣誤差，準(zhǔn)確捕捉亞厘米尺度化學(xué)梯度（如氧-硫化物過(guò)渡區(qū)），對(duì)低硫酸鹽系統(tǒng)中毫米級(jí)過(guò)程分異研究至關(guān)重要。  

 

綜上，Unisense電極通過(guò)高分辨率氧剖面，為理解低硫酸鹽系統(tǒng)中有機(jī)硫驅(qū)動(dòng)的硫循環(huán)界面過(guò)程提供了不可替代的時(shí)空框架。