Increasing the availability of oxygen promotes the metabolic activities and population growth of cable bacteria in freshwater sediments  

增加氧氣可用性促進淡水沉積物中電纜細菌的代謝活性和種群增長  

來源：Journal of Hydrology, 608 (2022) 127666

《水文學雜志》第608卷 2022年 文章編號：127666

 

摘要內容

 

摘要指出電纜細菌廣泛存在于淡水和海洋生境中，其獨特的電活性硫氧化代謝（e-SOx）對水生生態系統具有重要生態意義。然而，淡水沉積物中電纜細菌動態變化和豐度的環境驅動因素尚不明確。本研究通過微傳感器剖面、熒光原位雜交（FISH）和16S rRNA基因測序技術，發現增加上覆水氧氣可用性顯著促進電纜細菌的代謝活性和增殖，表現為更高的e-SOx速率和更大的種群規模。氧氣可用性提升還驅動電纜細菌向沉積物深層生長，增加深層溶解硫酸鹽庫，從而擴大其對沉積物生物地球化學循環的垂直尺度影響。  

 

研究目的

 

揭示上覆水中氧氣可用性對淡水沉積物中電纜細菌生長動態（包括代謝活性和種群豐度）的影響機制，為理解自然環境中電纜細菌的生態功能提供依據。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

采集含電纜細菌的淡水沉積物（北京溫榆河），設置4種氧氣處理組：厭氧（AN）、部分復氧（PR）、自然復氧（NR）和完全復氧（FR）。  

 

在50天孵化期內，通過微電極連續監測溶解氧（DO），維持各組氧氣水平穩定（AN: 1.88 μmol L?1; PR: 153 μmol L?1; NR: 276 μmol L?1; FR: 307 μmol L?1）。  

技術手段：  

 

微傳感器（丹麥Unisense）高分辨率測量孔隙水中O?、ΣH?S和pH剖面（圖1）。  

 

FISH技術定量電纜細菌豐度及垂直分布（圖4, 圖5）。  

 

 

16S rRNA基因測序分析電纜細菌相對豐度（圖4b）。  

 

孔隙水地球化學分析（Fe2?、SO?2?、AVS）（圖3）。  

數據分析：  

 

基于微傳感器數據計算亞氧區寬度、△pH和陰極耗氧率（COC）（圖2）。  

 

結合硫鐵平衡模型量化e-SOx對沉積物元素循環的貢獻（表2）。  

 

測量數據及研究意義

微傳感器剖面（O?, ΣH?S, pH）：  

 

數據來源：圖1（O?、ΣH?S、pH垂直分布）和圖2（COC、△pH、亞氧區寬度時序變化）。  

 

意義：揭示氧氣可用性對e-SOx活性的直接影響。例如，FR組亞氧區寬度（20.6 mm）顯著大于PR組（11.9 mm），表明高氧促進電纜細菌代謝的空間擴展。  

孔隙水地球化學（Fe2?, SO?2?, AVS）：  

 

數據來源：圖3（Fe2?、SO?2?、AVS垂直分布）和表2（硫鐵通量計算）。  

 

意義：闡明e-SOx對硫鐵循環的間接影響。FR組孔隙水SO?2?庫（466 mmol m?2）是AN組的8.9倍，說明高氧促進電纜細菌驅動的硫酸鹽再生。  

電纜細菌豐度（FISH和16S測序）：  

 

數據來源：圖4a（電纜細菌密度時序變化）、圖4b（相對豐度）、圖5（垂直分布）。  

 

意義：量化氧氣對種群規模的調控作用。FR組50天時電纜細菌密度（190 m cm?2）是PR組的2.9倍，證實氧氣是種群增長的關鍵限制因子。  

 

結論

氧氣促進代謝與種群增長：高氧處理（FR/NR）的陰極耗氧率（COC）和電纜細菌密度顯著高于低氧組（PR），且后期促進作用更顯著（圖2a, 圖4a）。  

 

影響硫鐵循環：e-SOx活動促進亞氧區FeS溶解和SO?2?再生（圖3），高氧組硫酸鹽還原率（SRR1）占硫供給的74-77%（表2）。  

 

驅動細菌向下擴展：氧氣增加使電纜細菌向深層遷移（FR組峰值深度2.06 cm vs. PR組1.19 cm），擴大其對深層沉積物生物地球化學的影響（圖5）。  

 

Unisense電極數據的詳細解讀

 

使用丹麥Unisense微電極測量的O?、ΣH?S和pH剖面數據具有以下核心研究意義：  

揭示缺氧環境形成機制：  

 

O?穿透深度（OPD）隨氧氣供應增加而顯著增大（FR組2.13 mm vs. PR組0.99 mm）（圖1），證明高氧環境延緩沉積物耗氧過程，為電纜細菌代謝提供更廣的氧化界面。  

闡明代謝驅動因素：  

 

pH極值（△pH）與COC率顯著正相關（FR組△pH=0.55 vs. PR組0.35）（圖2b），證實電纜細菌代謝通過陰極耗氧消耗質子，導致表層堿化。  

界定氧化還原分帶：  

 

ΣH?S與O?剖面分離形成亞氧區（圖1），其寬度與電纜細菌豐度峰值深度一致（圖5），證明e-SOx是沉積物氧化還原分層的關鍵驅動者。  

量化代謝活性動態：  

 

COC率在28天達峰值（FR組1.04 mmol m?2 d?1）（圖2a），與電纜細菌密度增長同步（圖4a），直接關聯氧氣可用性與代謝強度。后期COC率下降反映堿性物質向上覆水擴散，凸顯代謝產物的遷移效應。