Cable bacteria activity and impacts in Fe and Mn depleted carbonate sediments  

鐵錳貧乏碳酸鹽沉積物中電纜細菌的活動與影響  

來源： Marine Chemistry 246 (2022) 104176

《海洋化學》 第246卷 2022年 文章編號：104176

 

摘要

探討了電纜細菌在缺乏鐵（Fe）和錳（Mn）的碳酸鹽沉積物（美國佛羅里達灣）中的活動及其對元素循環的影響。通過實驗室微宇宙實驗，結合高分辨率傳感技術（如平面光學傳感器和微電極），研究發現電纜細菌可利用深層溶解態硫化物（H?S）作為還原劑，無需依賴固態硫化物或鐵錳循環即可維持電硫氧化（e-SOx）代謝。電硫氧化導致沉積物表層（陰極區）pH升高（~8.5）促進文石和高鎂方解石沉淀（Ω=2-3），而亞表層（陽極區）pH降低（~6.5）引發碳酸鹽溶解（Ω=0.2-0.3），伴隨Ca2?、Mg2?釋放。磷酸鹽（ΣPO?3?）在電活性區被消耗，可能與電纜細菌細胞內聚磷酸鹽積累有關，這對磷受限的碳酸鹽沉積物中海草磷獲取有潛在意義。  

 

研究目的

旨在驗證電纜細菌在Fe/Mn貧乏碳酸鹽沉積物中的代謝活性及其對碳酸鹽礦物循環和磷動態的影響，揭示其在缺乏典型氧化還原金屬條件下的生態作用。  

 

研究思路

包括：1）在佛羅里達灣碳酸鹽泥區（Fe/Mn含量<0.14%/0.003%）采集沉積物；2）設計三組實驗室微宇宙實驗（系列I、II、III），模擬含氧上覆水條件，監測電纜細菌定殖動態；3）使用平面光學傳感器（pH、O?、H?S）和丹麥Unisense微電極高分辨率測量孔隙水化學剖面（圖1,2）；4）通過熒光顯微鏡（吖啶橙染色）和FISH技術定量電纜細菌豐度（圖3）；5）分析Ca2?、Mg2?、ΣPO?3?等溶質分布，結合熱力學模型計算礦物飽和度（圖4,6,7）；6）設置物理屏障（濾膜）抑制菌絲遷移（系列III），驗證電活性與地球化學響應的因果關系（圖5）。  

 

 

 

 

 

 

 

 

測量的數據及研究意義

測量數據：使用丹麥Unisense微電極和平面光學傳感器獲取O?、H?S、pH深度剖面（來自圖1,2）。研究意義：實時原位監測氧化還原梯度（如O?滲透深度~2mm），精準定位電硫氧化活性區（陰極區pH峰值~8.5，陽極區H?S消耗深達1-1.4cm），揭示無Fe/Mn條件下電纜細菌代謝特征。  

 

測量數據：孔隙水Ca2?/Na?、Mg2?/Na?、ΣPO?3?濃度（來自圖4,6,7）。研究意義：Ca2?在陽極區富集（峰值0.033）直接關聯碳酸鹽溶解，Mg2?表觀消耗指示陰極區高鎂方解石沉淀；ΣPO?3?在電活性區（0-2cm）的凹陷分布（圖7A）暗示磷的生物固定。  

 

測量數據：電纜細菌豐度垂直分布（AO染色/FISH技術）（來自圖1,3）。研究意義：量化菌絲密度（最高2840 m/cm2）及時空動態（初期富集亞表層0.25-1.5cm，后期向表底層擴散），關聯代謝活性變化。  

 

 

測量數據：缺氧擾動實驗（6小時N?/CO?曝氣）后Ca2?、Mg2?、礦物飽和度響應（來自圖4,6）。研究意義：驗證電活性對礦物循環的驅動作用（缺氧后陰極區文石飽和度Ω降至~1，但Ca2?富集峰持續，揭示碳酸鹽溶解動力學滯后）。  

 

結論

電纜細菌可在Fe/Mn貧乏碳酸鹽沉積物中建立活性，直接利用溶解態H?S（無需固態硫化物或Fe3?介導的硫歧化），形成陰極區（0-2mm）pH峰值（~8.5）和陽極區（≥1cm）H?S消耗，無典型亞氧化區。  

 

電硫氧化驅動碳酸鹽循環：陰極區文石/高鎂方解石過飽和（Ω=2-3）導致沉淀（肉眼可見白色層），陽極區不飽和（Ω=0.2-0.3）引發溶解（Ca2?富集）；缺氧擾動后礦物飽和度快速響應，但離子擴散緩慢。  

 

磷循環受電纜細菌活動調控：電活性區（0-2cm）ΣPO?3?凈消耗（R-ΣPO?3?=-0.5~-2.5μM/d，圖7B），可能因細胞內聚磷酸鹽積累（估算消耗孔隙水磷50-900μM）及碳酸鹽吸附；這對海草磷獲取有潛在意義。  

 

電纜細菌豐度不直接對應代謝活性：活性衰退時（如系列I第27天），菌絲密度未減但代謝模式轉變（如礦物包埋抑制），表明其代謝可塑性。  

 

使用丹麥unisense電極測量出來數據的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極（尖端50-100μm）測量的高分辨率O?、H?S和pH剖面數據（圖1,2）具有核心研究意義：  

精準量化氧化還原梯度：微電極以毫米級分辨率（如500μm步進）揭示O?滲透深度僅2mm（圖1A），證實沉積物表層強烈缺氧環境，而H?S可深達1-1.4cm（圖2），為電纜細菌的空間分工（陰極區耗O?、陽極區氧化H?S）提供直接證據。  

 

動態追蹤電活性發展：結合平面光學傳感器，微電極數據顯示陰極區pH從背景值~7.5升至8.5（圖1A），陽極區pH降至6.5，時間尺度上吻合電纜細菌定殖（7-24天），驗證電硫氧化的質子/電子傳輸機制（陰極：O?+4e?+4H?→2H?O；陽極：?H?S+2H?O→?SO?2?+4e?+5H?）。  

 

解析硫化物代謝路徑：H?S剖面結合反應速率模型（PROFILE）識別雙消耗區（圖1B）——淺層（<1cm）非電化學氧化（O?/NO??驅動）和深層（≥1cm）電化學氧化，證明電纜細菌在亞表層的優勢地位。  

 

排除Fe/Mn干擾：微電極檢測溶解態Fe2?/Mn2?均低于檢出限（<1-2μM），結合SEM-EDS低Fe含量，確證電纜細菌在無典型氧化還原金屬條件下仍可維持代謝，拓展其生態位認知。