Single-celled bioturbators: benthic foraminifera mediate oxygen penetration and prokaryotic diversity in intertidal sediment  

單細胞生物擾動者：底棲有孔蟲介導潮間帶沉積物中的氧氣滲透和原核生物多樣性  

來源：EGUsphere Preprint, Discussion started: 17 April 2023  

EGUsphere預印本，討論開始日期：2023年4月17日

 

摘要內(nèi)容：  

本研究通過實驗室實驗證明，底棲有孔蟲的運動行為顯著增加了沉積物中的氧氣滲透深度（OPD），降低了沉積物總有機碳（TOC）含量，并改變了原核生物群落結(jié)構(gòu)。有孔蟲在沉積物表層（0-5 mm）的活動減少了細菌豐富度，并通過增加深層沉積物的氧氣滲透抑制了硫酸鹽還原菌的豐度。這表明有孔蟲不僅參與顆粒物搬運（生物擾動），還通過生物灌溉（溶質(zhì)運輸）影響沉積物-水界面的溶解氧通量，從而調(diào)控微生物群落和有機質(zhì)礦化過程。  

 

研究目的：  

量化有孔蟲生物擾動對沉積物氧氣垂直分布和通量的影響。  

 

分析有孔蟲活動對沉積物有機質(zhì)（TOC和TN）含量的影響。  

 

揭示有孔蟲介導的氧氣變化如何塑造原核生物（細菌和古菌）群落結(jié)構(gòu)。  

 

研究思路：  

實驗設計：  

 

采集法國Authie Bay潮間帶沉積物，經(jīng)冷凍滅活后填充至17個沉積柱（45 mm高）。  

 

設置對照組（無有孔蟲）和處理組（有孔蟲密度30 ind./cm2），在恒溫（18°C）黑暗條件下培養(yǎng)85天。  

 

有孔蟲種類組成模擬自然群落（78% Haynesina germanica，10% Ammonia tepida等）。  

參數(shù)測量：  

 

氧氣微剖面：使用Unisense微電極（50 μm尖端）測量溶解氧垂直分布（圖3）。  

 

 

有機質(zhì)含量：實驗結(jié)束時分兩層（0-5 mm和5-10 mm）測定TOC和TN（圖2）。  

 

 

微生物群落：通過16S rRNA基因測序分析細菌和古菌群落結(jié)構(gòu)（圖4-6）。  

 

 

 

 

 

 

數(shù)據(jù)分析：  

 

線性混合效應模型檢驗有孔蟲對OPD和氧虧（DOU）的影響（表1）。  

 

 

PERMANOVA和NMDS分析微生物群落差異（圖4B, 6B）。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義（注明來源圖表）：  

氧氣滲透深度（OPD）與氧虧（DOU）（圖3，表1）：  

 

有孔蟲使OPD增加0.7 mm（前36天），DOU降低（0.025→0.011 nmol/cm2/s）。意義：證明有孔蟲通過生物灌溉增強沉積物氧化，減少厭氧代謝，為理解單細胞生物對沉積物氧化還原狀態(tài)的調(diào)控提供直接證據(jù)。  

有機碳與氮含量（圖2）：  

 

有孔蟲處理組0-5 mm層TOC（1.4%±0.05）和TN（0.2%±0.01）顯著低于對照組。意義：表明有孔蟲活動促進表層有機質(zhì)礦化，揭示其對碳循環(huán)的貢獻。  

微生物群落結(jié)構(gòu)（圖4-6）：  

 

細菌豐富度在0-5 mm層降低，硫酸鹽還原菌（如 Desulfatobacterales）在深層減少（圖5A）。古菌群落中，好氧的 Candidatus Nitrosopumilus 在表層富集（圖6A）。意義：氧氣滲透加深抑制了嚴格厭氧菌，凸顯有孔蟲作為"生態(tài)系統(tǒng)工程師"通過改變微生境調(diào)控微生物功能群。  

 

結(jié)論：  

有孔蟲的運動行為通過增加氧氣滲透深度（OPD）和降低氧虧（DOU），顯著改變沉積物氧化還原狀態(tài)。  

 

有孔蟲減少表層沉積物有機碳含量（TOC），促進有機質(zhì)礦化。  

 

有孔蟲活動降低細菌豐富度，并通過深層氧氣滲透抑制硫酸鹽還原菌，證明其通過生物灌溉影響微生物群落組裝。  

 

有孔蟲是首個被證實兼具顆粒物（生物擾動）和溶質(zhì)運輸（生物灌溉）能力的單細胞真核生物，應被視為關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)工程師。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細研究意義：  

高分辨率氧梯度測量：  

 

Unisense微電極（50 μm尖端）以150 μm垂直分辨率獲取溶解氧剖面（圖3），實現(xiàn)沉積物-水界面至缺氧區(qū)的毫米級氧梯度量化。  

 

校準后（100%飽和海水 vs. 沉積物缺氧層）確保數(shù)據(jù)精度，為計算氧虧（DOU）和氧氣滲透深度（OPD）提供可靠依據(jù)。  

揭示生物灌溉機制：  

 

電極數(shù)據(jù)顯示有孔蟲處理組OPD增加0.7 mm（圖3A），直接證明其運動形成微通道，促進氧氣向深層擴散。  

 

DOU降低（圖3B）反映有孔蟲活動減少沉積物氧消耗，可能通過抑制需氧微生物呼吸或改變有機質(zhì)可利用性。  

支持微生物群落解釋：  

 

氧剖面數(shù)據(jù)與微生物分析關(guān)聯(lián)：OPD加深導致深層硫酸鹽還原菌豐度降低（圖5A），因氧氣抑制其代謝活性。  

 

表層好氧古菌（如 Candidatus Nitrosopumilus）富集（圖6A）與電極記錄的氧化微環(huán)境一致，驗證氧氣分布驅(qū)動微生物功能分區(qū)。  

方法學貢獻：  

 

結(jié)合彈性網(wǎng)算法（Elastic Net）優(yōu)化氧剖面模型，減少傳統(tǒng)分步回歸的誤差，提升DOU計算準確性（R2>0.97）。  

 

為后續(xù)研究提供標準流程：微電極校準、垂直分辨率設置（150 μm）及OPD定義閾值（<1 μmol/L）。