Cable bacteria regulate sedimentary phosphorus release in freshwater sediments  

電纜細(xì)菌調(diào)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(hào)120218  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要指出電纜細(xì)菌（cable bacteria）通過電活性硫氧化（e-SOx）過程調(diào)控富營(yíng)養(yǎng)化淡水沉積物中磷（P）的釋放。電纜細(xì)菌活動(dòng)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(huán)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(xì)菌活性衰退后仍保持穩(wěn)定，持續(xù)抑制磷釋放。實(shí)驗(yàn)證明電纜細(xì)菌可顯著降低沉積物-水界面的磷通量，為富營(yíng)養(yǎng)化淡水系統(tǒng)提供天然控磷機(jī)制。  

 

研究目的：  

探究電纜細(xì)菌在淡水沉積物中對(duì)鐵、錳、磷循環(huán)的調(diào)控作用  

 

驗(yàn)證淡水環(huán)境中金屬氧化物層長(zhǎng)期穩(wěn)定性的假設(shè)  

 

評(píng)估電纜細(xì)菌作為富營(yíng)養(yǎng)化水體控磷新途徑的潛力  

 

研究思路：  

采集北京溫榆河富營(yíng)養(yǎng)化沉積物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)  

 

設(shè)置好氧（電纜細(xì)菌富集）與缺氧（對(duì)照組）處理  

 

利用微電極、DGT技術(shù)、分子生物學(xué)和化學(xué)分析多維度監(jiān)測(cè)  

 

追蹤電纜細(xì)菌種群動(dòng)態(tài)與關(guān)鍵元素（Fe、Mn、P）的時(shí)空變化  

 

對(duì)比淡水與海洋環(huán)境中電纜細(xì)菌控磷機(jī)制的差異  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)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(dòng)特征（亞氧化區(qū)擴(kuò)大、pH雙峰結(jié)構(gòu)），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(shí)間演變的O?/pH/ΣH?S剖面；表1統(tǒng)計(jì)OPD（氧滲透深度）、SAD（硫化物出現(xiàn)深度）等參數(shù)。  

電纜細(xì)菌豐度（圖3, 圖4）  

 

 

 

意義：FISH和16S rRNA測(cè)序證實(shí)電纜細(xì)菌增殖動(dòng)態(tài)（先增后減），峰值密度132 m cm?2。  

 

來源：圖3展示積分密度時(shí)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(tài)離子通量，證實(shí)亞氧化區(qū)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(shí)空分布。  

固相組分（FeS、Fe/Mn氧化物、P形態(tài)）（圖6, 表2）  

 

 

 

意義：發(fā)現(xiàn)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(jié)合磷（Fe-P）含量翻倍。  

 

來源：圖6展示深度剖面；表2統(tǒng)計(jì)組分庫(kù)存量。  

 

結(jié)論：  

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

 

e-SOx誘導(dǎo)亞氧化區(qū)酸化，溶解Fe/Mn礦物，促進(jìn)溶解態(tài)Fe2?/Mn2?向上擴(kuò)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(jié)合磷增加240 mmol m?2（表2），上覆水磷釋放通量?jī)H為對(duì)照組的1/50。  

 

淡水環(huán)境硫化物匱乏，金屬氧化物層在e-SOx衰退后仍穩(wěn)定存在（>75天），控磷持續(xù)時(shí)間顯著長(zhǎng)于海洋系統(tǒng)。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)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(xì)菌活動(dòng)的關(guān)鍵：  

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

 

代謝活性量化：基于pH梯度計(jì)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(qiáng)度，為微生物-地球化學(xué)耦合提供定量證據(jù)。  

 

機(jī)制驗(yàn)證：ΣH?S剖面與酸化區(qū)（pHmin）的空間匹配（圖1a），證實(shí)深層H?S氧化產(chǎn)酸驅(qū)動(dòng)Fe/Mn礦物溶解，解釋DGT通量中Fe2?/Mn2?峰值來源（圖5a-b）。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：避免傳統(tǒng)分層采樣擾動(dòng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（3-75天）揭示電纜細(xì)菌"繁榮-衰退"種群動(dòng)態(tài)與地球化學(xué)響應(yīng)的時(shí)序關(guān)聯(lián)（如COC峰值早于生物量峰值）。