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

低硫酸鹽蘇必利爾湖中有機硫的來源與歸宿  

來源：Limnol. Oceanogr. 9999, 2023, 1-17

《湖沼學和海洋學》第9999卷，2023年，第1-17頁

 

摘要內容

 

摘要指出：有機硫在低硫酸鹽環境（如淡水湖和古海洋）沉積物的生物地球化學循環中至關重要。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象，追蹤有機硫從來源到歸宿的全過程。通過宏基因組測序識別微生物群落，結合孔隙水和固相地球化學分析，發現沉積物中活躍的硫循環主要由氧化態有機硫驅動。沉積物培養實驗證實微生物能水解磺酸鹽、硫酸酯和磺酸產生硫酸鹽；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質硫化作用，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%，同時該層段游離脂質和完整脂質中二硫化物積累，表明低硫濃度下硫化作用仍快速發生。這一模型揭示了有機硫在低硫酸鹽環境中既作為硫酸鹽還原的燃料，又消耗其產物的雙重角色。

 

研究目的

揭示低硫酸鹽湖泊沉積物中有機硫循環路徑及其對碳、鐵循環的影響。  

 

識別驅動硫酸鹽還原的關鍵微生物類群及有機硫來源（氧化態 vs. 還原態）。  

 

闡明微生物還原產生的硫化物的歸宿（黃鐵礦化 vs. 有機硫化作用）。  

 

研究思路

樣品采集：  

 

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

實驗分析：  

 

微生物群落：宏基因組測序鑒定含dsrAB基因的硫酸鹽還原菌（圖3）。  

 

 

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

 

 

孔隙水化學：測量硫酸鹽、硫化物、半胱氨酸濃度（圖4）。  

 

 

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

 

 

 

 

數據整合：  

 

關聯微生物分布、硫轉化路徑及硫歸宿空間分布（如氧化還原界面定位依賴Unisense氧微電極數據）。  

 

測量數據及研究意義

沉積物培養硫酸鹽生成（圖2）：  

 

意義：?；撬幔ɑ撬幔┖褪榛蛩徕c（硫酸酯）顯著促進硫酸鹽生成，證實氧化態有機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（Desulfobacterota）、硝化螺旋菌門（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（遠低于模型預測的10μM），揭示高效硫消耗機制（黃鐵礦化+有機硫化作用）。  

固相硫形態與分布（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%，證實黃鐵礦化消耗硫化物。  

 

脂質二硫化物（圖6a,c；圖7a）：IR站4-5cm完整脂質中二硫化物達7.4 μg S g?1（峰值深度與黃鐵礦一致），證明有機硫化作用消耗硫化物并增強脂質保存。  

XAS/XRF硫形態（圖6）：  

 

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

 

結論

有機硫驅動硫酸鹽還原：氧化態有機硫（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化為硫酸鹽。  

 

硫化物高效消耗：低硫濃度下（<40 nM），硫化物通過黃鐵礦化（圖5b）和有機硫化作用（脂質二硫化物積累，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：有機硫在低硫酸鹽環境中既是硫酸鹽來源又是硫化物匯的雙重角色（圖8），可拓展至古海洋等類似環境。  

 

 

Unisense電極數據的研究意義詳細解讀

 

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

精準定位氧化還原界面：  

 

測得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）與缺氧層（硫酸鹽還原區）。  

 

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

解析硫循環空間分異：  

 

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

支撐地球化學模型校準：  

 

實測氧梯度為硫循環數值模型（如Fakhraee et al. 2017）提供關鍵邊界條件，校正硫化物通量預測（實測36 nM << 模型10μM）。  

技術優勢：  

 

微米級空間分辨率避免傳統分層采樣誤差，準確捕捉亞厘米尺度化學梯度（如氧-硫化物過渡區），對低硫酸鹽系統中毫米級過程分異研究至關重要。  

 

綜上，Unisense電極通過高分辨率氧剖面，為理解低硫酸鹽系統中有機硫驅動的硫循環界面過程提供了不可替代的時空框架。