Effects of sulfide availability on the metabolic activity and population dynamics of cable bacteria in freshwater sediment  

硫化物可用性對淡水沉積物中電纜細菌代謝活性和種群動態的影響  

來源： Science of the Total Environment 808 (2022) 151817

《總體環境科學》 第808卷，2022年，文章編號：151817

 

摘要

討論了電纜細菌在多種自然環境中的出現及其電硫氧化過程（e-SOx）對沉積物生物地球化學的影響，尤其是在淡水沉積物中環境因素控制其生長和多樣性的知識不足。通過實驗室孵化實驗，使用不同硫化物供給水平的淡水沉積物，研究硫化物可用性如何影響電纜細菌的代謝活性和種群動態。結果表明，中等硫化物可用性促進電纜細菌的快速增殖、更大種群規模、延長活動持續時間、促進更深沉積物層中的生長，并影響種群物種組成。這為基于電纜細菌的環境生物技術提供了新見解。  

 

研究目的

探究硫化物可用性如何影響淡水沉積物中電纜細菌的生長、深度分布和物種組成，以填補淡水環境中電纜細菌控制因素的知識空白，并為環境生物技術應用提供基礎。  

 

研究思路

從溫榆河采集淡水沉積物和上覆水，通過添加不同水平的硫化物（0、3、6、9 mmol kg?1）創建四個處理組，進行42天的實驗室孵化。期間，使用丹麥unisense微電極定期測量O?、ΣH?S和pH深度剖面，計算ΔpH、陰極氧消耗率（COC）和H?S擴散通量；通過熒光原位雜交（FISH）在25天和42天分析電纜細菌豐度和深度分布；通過16S rRNA基因測序分析物種組成；最后，整合數據評估硫化物可用性對電纜細菌活動、種群動態和多樣性的影響。  

 

測量的數據及研究意義

測量數據：使用丹麥unisense電極監測O?、ΣH?S和pH的深度剖面（來自圖1）。研究意義：這些數據直接量化電纜細菌e-SOx活動的強度和時間動態，如通過ΔpH和COC顯示硫化物可用性如何促進代謝活動的快速發展和維持高活動水平，幫助理解環境硫化物在控制電纜細菌代謝機制中的作用。  

 

  

測量數據：計算ΔpH、COC和H?S擴散通量的時間變化（來自圖2）。研究意義：ΔpH和COC作為e-SOx活動的指標，揭示硫化物可用性如何影響電纜細菌的生長階段（如縮短滯后期、延長穩定期），而H?S通量數據關聯硫化物供應與細菌增殖，闡明電子供體可用性對種群動態的驅動作用。  

 

  

測量數據：通過FISH測量電纜細菌豐度的深度分布和集成密度（來自圖3、4、5）。研究意義：這些數據展示硫化物可用性如何增加種群大小并改變垂直分布，特別是深層沉積物中豐度顯著提升，表明硫化物可用性擴展了電纜細菌對沉積物生物地球化學的垂直影響范圍。  

 

 

 

    

測量數據：通過16S rRNA測序分析電纜細菌物種組成和相對豐度（來自圖6和表2）。研究意義：數據顯示硫化物可用性改變共存物種的相對比例（如主導物種OUT1減少而OUT2增加），揭示硫化物在塑造電纜細菌種間關系和多樣性中的作用，為理解環境壓力下的種群適應提供依據。  

 

  

 

結論

中等硫化物可用性導致電纜細菌的快速增殖、更大種群規模、更高e-SOx活動強度。  

 

增加硫化物可用性延長電纜細菌活動持續時間，并促進其在更深沉積物層中的生長，擴展對沉積物生物地球化學的垂直影響。  

 

硫化物可用性影響電纜細菌種群的物種組成和相對豐度，如減少主導物種OUT1的比例并增加OUT2，表明其在調節種間關系中發揮作用。  

 

使用丹麥unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥unisense電極測量的O?、ΣH?S和pH數據（來自圖1和2）具有重要研究意義。這些微電極提供高分辨率深度剖面，能實時監測沉積物中氧消耗、硫化物分布和pH變化的時空動態。通過計算ΔpH（pH最大值與最小值之差）和陰極氧消耗率（COC），數據直接量化電纜細菌電硫氧化（e-SOx）活動的強度和發展階段。例如，圖2顯示較高硫化物處理中COC峰值提前且更高，表明硫化物可用性加速e-SOx活動并提升其強度。同時，ΣH?S剖面與通量數據（圖2c）關聯硫化物供應與電纜細菌增殖，揭示電子供體可用性是驅動代謝活性的關鍵因素。此外，pH酸化區域的監測幫助評估硫化物氧化對沉積物酸-堿平衡的影響。這些數據綜合起來，闡明硫化物可用性如何通過調節代謝活動來影響電纜細菌的生長動態，為理解環境因素控制機制提供了實證基礎，并支持調控硫化物可用性以優化電纜細菌在環境修復中的應用。