Increasing the availability of oxygen promotes the metabolic activities and population growth of cable bacteria in freshwater sediments  

增加氧氣可用性促進(jìn)淡水沉積物中電纜細(xì)菌的代謝活性和種群增長  

來源：Journal of Hydrology, 608 (2022) 127666

《水文學(xué)雜志》第608卷 2022年 文章編號(hào)：127666

 

摘要內(nèi)容

 

摘要指出電纜細(xì)菌廣泛存在于淡水和海洋生境中，其獨(dú)特的電活性硫氧化代謝（e-SOx）對水生生態(tài)系統(tǒng)具有重要生態(tài)意義。然而，淡水沉積物中電纜細(xì)菌動(dòng)態(tài)變化和豐度的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素尚不明確。本研究通過微傳感器剖面、熒光原位雜交（FISH）和16S rRNA基因測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)增加上覆水氧氣可用性顯著促進(jìn)電纜細(xì)菌的代謝活性和增殖，表現(xiàn)為更高的e-SOx速率和更大的種群規(guī)模。氧氣可用性提升還驅(qū)動(dòng)電纜細(xì)菌向沉積物深層生長，增加深層溶解硫酸鹽庫，從而擴(kuò)大其對沉積物生物地球化學(xué)循環(huán)的垂直尺度影響。  

 

研究目的

 

揭示上覆水中氧氣可用性對淡水沉積物中電纜細(xì)菌生長動(dòng)態(tài)（包括代謝活性和種群豐度）的影響機(jī)制，為理解自然環(huán)境中電纜細(xì)菌的生態(tài)功能提供依據(jù)。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

采集含電纜細(xì)菌的淡水沉積物（北京溫榆河），設(shè)置4種氧氣處理組：厭氧（AN）、部分復(fù)氧（PR）、自然復(fù)氧（NR）和完全復(fù)氧（FR）。  

 

在50天孵化期內(nèi)，通過微電極連續(xù)監(jiān)測溶解氧（DO），維持各組氧氣水平穩(wěn)定（AN: 1.88 μmol L?1; PR: 153 μmol L?1; NR: 276 μmol L?1; FR: 307 μmol L?1）。  

技術(shù)手段：  

 

微傳感器（丹麥Unisense）高分辨率測量孔隙水中O?、ΣH?S和pH剖面（圖1）。  

 

FISH技術(shù)定量電纜細(xì)菌豐度及垂直分布（圖4, 圖5）。  

 

 

16S rRNA基因測序分析電纜細(xì)菌相對豐度（圖4b）。  

 

孔隙水地球化學(xué)分析（Fe2?、SO?2?、AVS）（圖3）。  

數(shù)據(jù)分析：  

 

基于微傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算亞氧區(qū)寬度、△pH和陰極耗氧率（COC）（圖2）。  

 

結(jié)合硫鐵平衡模型量化e-SOx對沉積物元素循環(huán)的貢獻(xiàn)（表2）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

微傳感器剖面（O?, ΣH?S, pH）：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖1（O?、ΣH?S、pH垂直分布）和圖2（COC、△pH、亞氧區(qū)寬度時(shí)序變化）。  

 

意義：揭示氧氣可用性對e-SOx活性的直接影響。例如，F(xiàn)R組亞氧區(qū)寬度（20.6 mm）顯著大于PR組（11.9 mm），表明高氧促進(jìn)電纜細(xì)菌代謝的空間擴(kuò)展。  

孔隙水地球化學(xué)（Fe2?, SO?2?, AVS）：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖3（Fe2?、SO?2?、AVS垂直分布）和表2（硫鐵通量計(jì)算）。  

 

意義：闡明e-SOx對硫鐵循環(huán)的間接影響。FR組孔隙水SO?2?庫（466 mmol m?2）是AN組的8.9倍，說明高氧促進(jìn)電纜細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的硫酸鹽再生。  

電纜細(xì)菌豐度（FISH和16S測序）：  

 

數(shù)據(jù)來源：圖4a（電纜細(xì)菌密度時(shí)序變化）、圖4b（相對豐度）、圖5（垂直分布）。  

 

意義：量化氧氣對種群規(guī)模的調(diào)控作用。FR組50天時(shí)電纜細(xì)菌密度（190 m cm?2）是PR組的2.9倍，證實(shí)氧氣是種群增長的關(guān)鍵限制因子。  

 

結(jié)論

氧氣促進(jìn)代謝與種群增長：高氧處理（FR/NR）的陰極耗氧率（COC）和電纜細(xì)菌密度顯著高于低氧組（PR），且后期促進(jìn)作用更顯著（圖2a, 圖4a）。  

 

影響硫鐵循環(huán)：e-SOx活動(dòng)促進(jìn)亞氧區(qū)FeS溶解和SO?2?再生（圖3），高氧組硫酸鹽還原率（SRR1）占硫供給的74-77%（表2）。  

 

驅(qū)動(dòng)細(xì)菌向下擴(kuò)展：氧氣增加使電纜細(xì)菌向深層遷移（FR組峰值深度2.06 cm vs. PR組1.19 cm），擴(kuò)大其對深層沉積物生物地球化學(xué)的影響（圖5）。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

使用丹麥Unisense微電極測量的O?、ΣH?S和pH剖面數(shù)據(jù)具有以下核心研究意義：  

揭示缺氧環(huán)境形成機(jī)制：  

 

O?穿透深度（OPD）隨氧氣供應(yīng)增加而顯著增大（FR組2.13 mm vs. PR組0.99 mm）（圖1），證明高氧環(huán)境延緩沉積物耗氧過程，為電纜細(xì)菌代謝提供更廣的氧化界面。  

闡明代謝驅(qū)動(dòng)因素：  

 

pH極值（△pH）與COC率顯著正相關(guān)（FR組△pH=0.55 vs. PR組0.35）（圖2b），證實(shí)電纜細(xì)菌代謝通過陰極耗氧消耗質(zhì)子，導(dǎo)致表層堿化。  

界定氧化還原分帶：  

 

ΣH?S與O?剖面分離形成亞氧區(qū)（圖1），其寬度與電纜細(xì)菌豐度峰值深度一致（圖5），證明e-SOx是沉積物氧化還原分層的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)者。  

量化代謝活性動(dòng)態(tài)：  

 

COC率在28天達(dá)峰值（FR組1.04 mmol m?2 d?1）（圖2a），與電纜細(xì)菌密度增長同步（圖4a），直接關(guān)聯(lián)氧氣可用性與代謝強(qiáng)度。后期COC率下降反映堿性物質(zhì)向上覆水?dāng)U散，凸顯代謝產(chǎn)物的遷移效應(yīng)。