Cable bacteria activity and impacts in Fe and Mn depleted carbonate sediments  

鐵錳貧乏碳酸鹽沉積物中電纜細(xì)菌的活動(dòng)與影響  

來源： Marine Chemistry 246 (2022) 104176

《海洋化學(xué)》 第246卷 2022年 文章編號(hào)：104176

 

摘要

探討了電纜細(xì)菌在缺乏鐵（Fe）和錳（Mn）的碳酸鹽沉積物（美國(guó)佛羅里達(dá)灣）中的活動(dòng)及其對(duì)元素循環(huán)的影響。通過實(shí)驗(yàn)室微宇宙實(shí)驗(yàn)，結(jié)合高分辨率傳感技術(shù)（如平面光學(xué)傳感器和微電極），研究發(fā)現(xiàn)電纜細(xì)菌可利用深層溶解態(tài)硫化物（H?S）作為還原劑，無需依賴固態(tài)硫化物或鐵錳循環(huán)即可維持電硫氧化（e-SOx）代謝。電硫氧化導(dǎo)致沉積物表層（陰極區(qū)）pH升高（~8.5）促進(jìn)文石和高鎂方解石沉淀（Ω=2-3），而亞表層（陽極區(qū)）pH降低（~6.5）引發(fā)碳酸鹽溶解（Ω=0.2-0.3），伴隨Ca2?、Mg2?釋放。磷酸鹽（ΣPO?3?）在電活性區(qū)被消耗，可能與電纜細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)聚磷酸鹽積累有關(guān)，這對(duì)磷受限的碳酸鹽沉積物中海草磷獲取有潛在意義。  

 

研究目的

旨在驗(yàn)證電纜細(xì)菌在Fe/Mn貧乏碳酸鹽沉積物中的代謝活性及其對(duì)碳酸鹽礦物循環(huán)和磷動(dòng)態(tài)的影響，揭示其在缺乏典型氧化還原金屬條件下的生態(tài)作用。  

 

研究思路

包括：1）在佛羅里達(dá)灣碳酸鹽泥區(qū)（Fe/Mn含量<0.14%/0.003%）采集沉積物；2）設(shè)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)室微宇宙實(shí)驗(yàn)（系列I、II、III），模擬含氧上覆水條件，監(jiān)測(cè)電纜細(xì)菌定殖動(dòng)態(tài)；3）使用平面光學(xué)傳感器（pH、O?、H?S）和丹麥Unisense微電極高分辨率測(cè)量孔隙水化學(xué)剖面（圖1,2）；4）通過熒光顯微鏡（吖啶橙染色）和FISH技術(shù)定量電纜細(xì)菌豐度（圖3）；5）分析Ca2?、Mg2?、ΣPO?3?等溶質(zhì)分布，結(jié)合熱力學(xué)模型計(jì)算礦物飽和度（圖4,6,7）；6）設(shè)置物理屏障（濾膜）抑制菌絲遷移（系列III），驗(yàn)證電活性與地球化學(xué)響應(yīng)的因果關(guān)系（圖5）。  

 

 

 

 

 

 

 

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

測(cè)量數(shù)據(jù)：使用丹麥Unisense微電極和平面光學(xué)傳感器獲取O?、H?S、pH深度剖面（來自圖1,2）。研究意義：實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)氧化還原梯度（如O?滲透深度~2mm），精準(zhǔn)定位電硫氧化活性區(qū)（陰極區(qū)pH峰值~8.5，陽極區(qū)H?S消耗深達(dá)1-1.4cm），揭示無Fe/Mn條件下電纜細(xì)菌代謝特征。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)：孔隙水Ca2?/Na?、Mg2?/Na?、ΣPO?3?濃度（來自圖4,6,7）。研究意義：Ca2?在陽極區(qū)富集（峰值0.033）直接關(guān)聯(lián)碳酸鹽溶解，Mg2?表觀消耗指示陰極區(qū)高鎂方解石沉淀；ΣPO?3?在電活性區(qū)（0-2cm）的凹陷分布（圖7A）暗示磷的生物固定。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)：電纜細(xì)菌豐度垂直分布（AO染色/FISH技術(shù)）（來自圖1,3）。研究意義：量化菌絲密度（最高2840 m/cm2）及時(shí)空動(dòng)態(tài)（初期富集亞表層0.25-1.5cm，后期向表底層擴(kuò)散），關(guān)聯(lián)代謝活性變化。  

 

 

測(cè)量數(shù)據(jù)：缺氧擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)（6小時(shí)N?/CO?曝氣）后Ca2?、Mg2?、礦物飽和度響應(yīng)（來自圖4,6）。研究意義：驗(yàn)證電活性對(duì)礦物循環(huán)的驅(qū)動(dòng)作用（缺氧后陰極區(qū)文石飽和度Ω降至~1，但Ca2?富集峰持續(xù)，揭示碳酸鹽溶解動(dòng)力學(xué)滯后）。  

 

結(jié)論

電纜細(xì)菌可在Fe/Mn貧乏碳酸鹽沉積物中建立活性，直接利用溶解態(tài)H?S（無需固態(tài)硫化物或Fe3?介導(dǎo)的硫歧化），形成陰極區(qū)（0-2mm）pH峰值（~8.5）和陽極區(qū)（≥1cm）H?S消耗，無典型亞氧化區(qū)。  

 

電硫氧化驅(qū)動(dòng)碳酸鹽循環(huán)：陰極區(qū)文石/高鎂方解石過飽和（Ω=2-3）導(dǎo)致沉淀（肉眼可見白色層），陽極區(qū)不飽和（Ω=0.2-0.3）引發(fā)溶解（Ca2?富集）；缺氧擾動(dòng)后礦物飽和度快速響應(yīng)，但離子擴(kuò)散緩慢。  

 

磷循環(huán)受電纜細(xì)菌活動(dòng)調(diào)控：電活性區(qū)（0-2cm）ΣPO?3?凈消耗（R-ΣPO?3?=-0.5~-2.5μM/d，圖7B），可能因細(xì)胞內(nèi)聚磷酸鹽積累（估算消耗孔隙水磷50-900μM）及碳酸鹽吸附；這對(duì)海草磷獲取有潛在意義。  

 

電纜細(xì)菌豐度不直接對(duì)應(yīng)代謝活性：活性衰退時(shí)（如系列I第27天），菌絲密度未減但代謝模式轉(zhuǎn)變（如礦物包埋抑制），表明其代謝可塑性。  

 

使用丹麥unisense電極測(cè)量出來數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense微電極（尖端50-100μm）測(cè)量的高分辨率O?、H?S和pH剖面數(shù)據(jù)（圖1,2）具有核心研究意義：  

精準(zhǔn)量化氧化還原梯度：微電極以毫米級(jí)分辨率（如500μm步進(jìn)）揭示O?滲透深度僅2mm（圖1A），證實(shí)沉積物表層強(qiáng)烈缺氧環(huán)境，而H?S可深達(dá)1-1.4cm（圖2），為電纜細(xì)菌的空間分工（陰極區(qū)耗O?、陽極區(qū)氧化H?S）提供直接證據(jù)。  

 

動(dòng)態(tài)追蹤電活性發(fā)展：結(jié)合平面光學(xué)傳感器，微電極數(shù)據(jù)顯示陰極區(qū)pH從背景值~7.5升至8.5（圖1A），陽極區(qū)pH降至6.5，時(shí)間尺度上吻合電纜細(xì)菌定殖（7-24天），驗(yàn)證電硫氧化的質(zhì)子/電子傳輸機(jī)制（陰極：O?+4e?+4H?→2H?O；陽極：?H?S+2H?O→?SO?2?+4e?+5H?）。  

 

解析硫化物代謝路徑：H?S剖面結(jié)合反應(yīng)速率模型（PROFILE）識(shí)別雙消耗區(qū)（圖1B）——淺層（<1cm）非電化學(xué)氧化（O?/NO??驅(qū)動(dòng)）和深層（≥1cm）電化學(xué)氧化，證明電纜細(xì)菌在亞表層的優(yōu)勢(shì)地位。  

 

排除Fe/Mn干擾：微電極檢測(cè)溶解態(tài)Fe2?/Mn2?均低于檢出限（<1-2μM），結(jié)合SEM-EDS低Fe含量，確證電纜細(xì)菌在無典型氧化還原金屬條件下仍可維持代謝，拓展其生態(tài)位認(rèn)知。