Dark carbon fixation in intertidal sediments: Controlling factors and driving microorganisms  

潮間帶沉積物中的暗碳固定：控制因素及驅動微生物  

來源：Water Research, Volume 216, 2022, Article Number 118381  

《水研究》，第216卷，2022年，文章編號118381  

 

摘要內容：  

摘要指出暗碳固定（DCF）對全球海洋初級生產力的貢獻約為0.77 Pg C y?1，其中近一半發(fā)生在河口和沿海沉積物中。研究利用1?C標記和DNA穩(wěn)定同位素探針（DNA-SIP）技術，量化了長江口潮間帶沉積物的DCF率及活躍的化學自養(yǎng)微生物。結果顯示，DCF率范圍為0.27–3.37 mmol C m?2 day?1，且與沉積物硫化物含量顯著正相關。cbbM基因（編碼RuBisCO Form II）豐度與DCF率呈正相關關系。DNA-SIP證實cbbM攜帶細菌（而非cbbL攜帶細菌）主導DCF過程，優(yōu)勢菌屬包括Sulfuricella denitrificans、Sulfuriferula等硫氧化細菌。宏基因組分析表明，這些微生物同時攜帶硫氧化、反硝化或DNRA（異化硝酸鹽還原至銨）基因，揭示了其在碳、氮、硫耦合循環(huán)中的關鍵作用。

 

研究目的：  

確定潮間帶沉積物中DCF率的時空分布及功能基因（cbbL、cbbM、accA）豐度。  

 

探究環(huán)境變量（如溫度、還原性底物）對DCF活性的影響機制。  

 

利用DNA-SIP技術識別活躍驅動DCF的化學自養(yǎng)微生物。

 

研究思路：  

采樣設計：在長江口6個潮間帶站點（LHK、WSK、BLG、CYNC、LCG、CMDT）采集表層沉積物（0–1 cm），分夏季（8月）和冬季（12月）進行。  

 

環(huán)境參數(shù)測量：原位測定上覆水溫度、鹽度、溶解氧（DO）、DIC及沉積物硫化物、營養(yǎng)鹽、TOC等。  

 

DCF率量化：通過1?C標記碳酸氫鹽孵育實驗測定沉積物DCF率。  

 

微生物分析：  

 

qPCR定量功能基因（cbbL、cbbM、accA）及16S rRNA基因豐度。  

 

DNA-SIP實驗（13C標記碳酸氫鹽）識別活躍微生物。  

 

擴增子測序分析cbbM、cbbL、accA基因及微生物群落組成。  

 

宏基因組測序解析代謝途徑。  

統(tǒng)計分析：Pearson相關性、結構方程模型（SEM）、典型對應分析（CCA）等揭示環(huán)境因子與DCF的關聯(lián)。

 

測量數(shù)據及其研究意義：  

環(huán)境參數(shù)：包括上覆水溫度、鹽度、DO、DIC及沉積物硫化物、NH??、SO?2?、Fe2?、Fe3?、TOC、TC、總氧消耗（TOU）等。  

 

研究意義：建立環(huán)境基線，評估溫度、還原性底物（如硫化物）對DCF的調控作用；TOU數(shù)據用于計算DCF/TOU比率，量化DCF對沉積物碳循環(huán)的貢獻（DCF/TOU比率為2.31–9.47%）。  

DCF率（圖2）：夏季0.32–3.37 mmol C m?2 d?1，冬季0.27–1.22 mmol C m?2 d?1。  

 

 

研究意義：直接量化潮間帶DCF速率，揭示其時空變異（夏季高于冬季），并推算長江口年固碳量約4.5×10? t C。  

功能基因豐度（圖1）：cbbM基因豐度（7.03×10?–4.94×10? copies g?1）顯著高于cbbL和accA，且與DCF率正相關（R=0.96）。  

 

研究意義：表明cbbM攜帶細菌是DCF主要驅動者，而accA基因（代表3-HP/4-HB途徑）豐度低，提示其在潮間帶作用有限。  

DNA-SIP結果（圖5）：13C標記后cbbM基因在浮力密度~1.729 g mL?1處富集，而cbbL基因無顯著偏移。  

 

 

研究意義：證實cbbM攜帶細菌主動同化13C，是活躍DCF微生物；cbbL攜帶細菌未參與DCF。  

微生物群落（圖6–7）：cbbM攜帶細菌以Gammaproteobacteria（如Sulfuricella denitrificans、Sulfuriferula）為主；古菌以Nitrososphaeria為主。  

 

 

研究意義：鎖定關鍵D驅動微生物（硫氧化細菌），并揭示其系統(tǒng)發(fā)育多樣性。  

宏基因組分析（圖8）：RubisCO基因（cbbLM）主要關聯(lián)Burkholderiales和Chromatiales；硫代謝（soxB、sat）、氮代謝（narGHI、nrfAH）基因共存于多數(shù)基因組bin中。  

 

研究意義：證明DCF微生物具備硫氧化-反硝化/DNRA耦合能力，闡明其在多元素循環(huán)中的核心角色。

 

結論：  

DCF率與沉積物硫化物含量顯著正相關（R=0.83），表明還原性底物可用性是關鍵限制因子；溫度通過促進硫化物生成間接調控DCF。  

 

cbbM攜帶細菌（而非cbbL）主導DCF過程，優(yōu)勢菌屬為硫氧化細菌（如Sulfuricella denitrificans）。  

 

功能基因和宏基因組證實DCF微生物同時驅動硫氧化與氮轉化（反硝化/DNRA），凸顯碳-氮-硫耦合循環(huán)的重要性。  

 

長江口潮間帶是DCF熱點區(qū)域，年固碳量顯著，需納入沿海初級生產力評估模型。

 

丹麥Unisense電極測量數(shù)據的研究意義：  

在"2.2. Measurements of site physicochemical parameters"中，使用Unisense OX500電極原位測量上覆水溶解氧（DO）。其研究意義包括：  

量化氧化還原條件：DO是硫氧化等過程的關鍵電子受體，低DO環(huán)境（如夏季部分站點）可能促進硫化物積累，間接增強以硫為能源的DCF過程。  

 

支持TOU計算：DO動態(tài)數(shù)據用于計算總氧消耗（TOU），TOU與DCF率顯著正相關（R=0.70），共同指示有機質礦化對DCF底物的供應作用。  

 

環(huán)境因子關聯(lián)：DO與鹽度、溫度等參數(shù)結合，通過CCA分析（圖4）揭示其對微生物群落結構的調控，例如低DO環(huán)境富集硫氧化菌（如Sulfuricella）。  

 

 

綜上，Unisense電極提供高精度DO數(shù)據，是解析DCF能量來源（還原性硫氧化需氧）和環(huán)境驅動機制的關鍵支撐。