Cable bacteria regulate sedimentary phosphorus release in freshwater sediments  

電纜細菌調控淡水沉積物中磷的釋放  

來源：Water Research, Volume 242, 2023, 120218

《水研究》第242卷，2023年，文章編號120218  

 

摘要內容：  

摘要指出電纜細菌（cable bacteria）通過電活性硫氧化（e-SOx）過程調控富營養化淡水沉積物中磷（P）的釋放。電纜細菌活動在沉積物表層形成鐵（Fe）、錳（Mn）氧化物層，有效截留溶解性磷。與咸水環境不同，淡水沉積物中硫化物生成有限，因此該金屬氧化物層在電纜細菌活性衰退后仍保持穩定，持續抑制磷釋放。實驗證明電纜細菌可顯著降低沉積物-水界面的磷通量，為富營養化淡水系統提供天然控磷機制。  

 

研究目的：  

探究電纜細菌在淡水沉積物中對鐵、錳、磷循環的調控作用  

 

驗證淡水環境中金屬氧化物層長期穩定性的假設  

 

評估電纜細菌作為富營養化水體控磷新途徑的潛力  

 

研究思路：  

采集北京溫榆河富營養化沉積物進行實驗室培養  

 

設置好氧（電纜細菌富集）與缺氧（對照組）處理  

 

利用微電極、DGT技術、分子生物學和化學分析多維度監測  

 

追蹤電纜細菌種群動態與關鍵元素（Fe、Mn、P）的時空變化  

 

對比淡水與海洋環境中電纜細菌控磷機制的差異  

 

測量數據及研究意義：  

微電極剖面（O?、pH、ΣH?S）（圖1, 表1）  

 

 

 

意義：揭示e-SOx活動特征（亞氧化區擴大、pH雙峰結構），量化陰極耗氧率（COC）和電流密度。  

 

來源：圖1顯示好氧處理中隨時間演變的O?/pH/ΣH?S剖面；表1統計OPD（氧滲透深度）、SAD（硫化物出現深度）等參數。  

電纜細菌豐度（圖3, 圖4）  

 

 

 

意義：FISH和16S rRNA測序證實電纜細菌增殖動態（先增后減），峰值密度132 m cm?2。  

 

來源：圖3展示積分密度時序變化；圖4a-b顯示深度分布。  

DGT通量（Fe2?、Mn2?、PO?3?）（圖5）  

 

 

意義：捕捉孔隙水溶解態離子通量，證實亞氧化區Fe/Mn溶解（峰值7.91 mmol m?2 d?1）和表層P截留（通量<0.09 mmol m?2 d?1）。  

 

來源：圖5a-c展示三種離子通量時空分布。  

固相組分（FeS、Fe/Mn氧化物、P形態）（圖6, 表2）  

 

 

 

意義：發現FeS消耗（0-4 cm減少271 mmol m?2）與表層Fe/Mn氧化物富集（Fe氧化物增加260 mmol m?2），鐵結合磷（Fe-P）含量翻倍。  

 

來源：圖6展示深度剖面；表2統計組分庫存量。  

 

結論：  

電纜細菌在淡水沉積物中形成典型e-SOx活動：亞氧化區擴大至1.75 cm，pH最低降至6.61（表1），電流密度達7.1 mA m?2。  

 

e-SOx誘導亞氧化區酸化，溶解Fe/Mn礦物，促進溶解態Fe2?/Mn2?向上擴散，在表層氧化形成金屬氧化物層（圖5a-b, 圖6b-c）。  

 

金屬氧化物層有效截留磷：孔隙水PO?3?通量降低（圖5c），表層沉積物鐵結合磷增加240 mmol m?2（表2），上覆水磷釋放通量僅為對照組的1/50。  

 

淡水環境硫化物匱乏，金屬氧化物層在e-SOx衰退后仍穩定存在（>75天），控磷持續時間顯著長于海洋系統。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense微電極（O?、pH、H?S）獲取的高分辨率剖面（圖1）是解析電纜細菌活動的關鍵：  

毫米級過程捕捉：百微米級分辨率原位測定沉積物O?/pH/ΣH?S梯度，精準定位亞氧化區（oxic-suboxic界面），揭示e-SOx特有的pH雙峰結構（表層峰值8.6，深層谷值6.6），這是電纜細菌代謝的空間分離特征。  

 

代謝活性量化：基于pH梯度計算陰極耗氧率（COC，峰值1.59 mmol m?2 d?1）和電流密度（峰值7.10 mA m?2），直接反映e-SOx電子傳遞強度，為微生物-地球化學耦合提供定量證據。  

 

機制驗證：ΣH?S剖面與酸化區（pHmin）的空間匹配（圖1a），證實深層H?S氧化產酸驅動Fe/Mn礦物溶解，解釋DGT通量中Fe2?/Mn2?峰值來源（圖5a-b）。  

 

技術優勢：避免傳統分層采樣擾動，實時動態監測（3-75天）揭示電纜細菌"繁榮-衰退"種群動態與地球化學響應的時序關聯（如COC峰值早于生物量峰值）。