Enhancing the retention of phosphorus through bacterial oxidation of iron or sulfide in the eutrophic sediments of Lake Taihu  

通過細菌氧化鐵或硫化物增強富營養化太湖沉積物中磷的滯留  

來源：Science of the Total Environment, Volume 791, 2021 , Article 148039  

《總體環境科學》第791卷，2021年，文章編號148039  

 

摘要內容

 

研究通過實驗室培養實驗（自然沉積物、滅菌沉積物、接種微生物沉積物），結合高分辨率透析（HR-Peeper）、薄膜梯度擴散（DGT）和微生物分析技術，探究微生物對太湖沉積物磷滯留的機制。核心發現：  

微生物對磷滯留的關鍵作用：滅菌顯著降低沉積物固磷能力（DGT-labile P在0-10mm層升高，圖1a-b），而接種微生物可部分恢復該能力。  

 

 

關鍵功能菌群：  

 

接種組中，硝酸鹽還原型鐵氧化菌（Acidovorax）通過氧化Fe(II)生成Fe(III)氧化物固磷（圖6）。  

 

 

自然組中，電活性硫氧化菌（Candidatus Electronema）通過長距離電子傳遞耦合硫氧化與氧還原，抑制硫化物對鐵磷的破壞（圖3, 圖6）。  

核心沉積層：0-10mm沉積層是微生物固磷的關鍵區域（圖1, 圖3）。  

 

 

研究目的

驗證微生物活動對沉積物磷滯留的增強作用。  

 

識別調控磷滯留的關鍵功能細菌及其作用機制。  

 

評估微生物接種對受損沉積物固磷功能的修復潛力。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

自然組（Non-treated）：原狀沉積物。  

 

滅菌組（Sterilized）：121°C高壓滅菌。  

 

接種組（Inoculated）：滅菌后接種原沉積物微生物。  

界面過程監測：  

 

DGT/HR-Peeper：獲取溶解態（HR-Peeper）和有效態（DGT）磷/鐵剖面（圖1）。  

 

AgI-DGT：二維硫化物分布成像（圖3）。  

 

Unisense微電極：測定沉積物-水界面（SWI）溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh）（圖2）。  

 

 

微生物分析：  

 

SEM觀察細菌豐度（圖4）。  

 

 

16S rRNA測序分析菌群結構（圖5-6）。  

 

 

FAPROTAX預測功能（圖7）。  

 

 

測量數據及研究意義

磷/鐵分布（圖1）  

 

數據：滅菌組0-10mm層DGT-labile P（2.23±0.08 mg/L）顯著高于自然組（0.34±0.05 mg/L），表明微生物缺失導致磷釋放增強。  

 

意義：直接證明微生物是沉積物固磷的關鍵因子。  

硫化物分布（圖3）  

 

數據：滅菌組0-10mm層DGT-硫通量（31.25 ng/cm2·s）高于自然組（17.96 ng/cm2·s）。  

 

意義：微生物通過硫氧化降低硫化物濃度，減少其對鐵磷的破壞。  

微生物群落（圖5-6）  

 

數據：自然組以Candidatus Electronema（SOB）為主（1.04%）；接種組以Acidovorax（FeOB）為主（1.77%）。  

 

意義：揭示特定功能菌（FeOB/SOB）通過氧化作用間接固磷。  

 

結論

微生物固磷機制：  

 

FeOB（Acidovorax）在缺氧條件下氧化Fe(II)生成Fe(III)氧化物吸附磷。  

 

SOB（Candidatus Electronema）通過電化學硫氧化抑制硫化物生成，保護鐵磷結合（圖8）。  

 

修復潛力：接種微生物可部分恢復滅菌沉積物的固磷能力，為沉積物修復提供新思路。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense微電極系統（RD-100和OX-100）原位監測沉積物-水界面的Eh和DO（圖2）：  

界面氧化狀態精準量化：  

 

數據顯示自然組和接種組Eh（+100至+200 mV）顯著高于滅菌組（-50至0 mV），DO滲透深度更深（自然組3.8mm vs 滅菌組2mm）。  

 

意義：高Eh/DO環境抑制Fe(III)還原和硫化物生成，為FeOB/SOB創造有利條件。  

微生物-氧化還原耦合證據：  

 

Eh/DO與微生物活性（CH4/CO2通量）正相關（圖4）：自然組CO2通量（148.45 mg/m2·h） > 滅菌組（接近0）。  

 

意義：證實微生物呼吸作用消耗氧氣，但功能菌（如SOB）通過電子傳遞維持局部氧化微區。  

空間分辨率優勢：  

 

微電極以亞毫米分辨率揭示DO在0-5mm層的陡降梯度（圖2a），與DGT-磷在0-10mm層的降低（圖1a）高度匹配。  

 

意義：鎖定0-10mm為微生物固磷關鍵層，因該層具備微氧-缺氧過渡帶的獨特氧化還原條件。  

 

核心價值：Unisense電極提供的Eh/DO高分辨率剖面，首次將微生物功能（FeOB/SOB）與界面氧化還原梯度在空間上直接關聯，為理解"微生物-地球化學"耦合機制提供了不可替代的原位證據。