Microbial carriers promote and guide pyrene migration in sediments  

微生物載體促進并引導芘在沉積物中的遷移  

來源：Journal of Hazardous Materials, 424 (2022) 127188

《危險材料雜志》第424卷，2022年，文章編號127188

 

摘要內容

 

研究首次通過實驗證實微生物載體（特別是電纜細菌）能顯著促進沉積物中多環芳烴（PAHs）的遷移。以芘（pyrene）為模式污染物，設計"連接組"（CG，允許微生物遷移）和"阻斷組"（BG，限制微生物遷移）的沉積物微宇宙實驗。結果表明：  

連接組中芘向深層（L3層）遷移量比對照組（CC）高17.3-49.2%（p<0.01），且微生物群落（含絲狀運動微生物）同步向下遷移；  

 

電纜細菌（Candidatus Electronema）通過滑動運動吸附顆粒物質，形態學證據顯示其表面附著大量顆粒（圖6a,b）；  

 

基于Peclet數的生物力學模型證實絲狀運動微生物（如電纜細菌）通過對流作用增強芘吸附能力（圖7）；  

 

電纜細菌活動伴隨亞氧區酸化（pH↓）和硫酸鹽濃度劇增等生物地球化學印記（圖4,5）。  

 

研究目的

 

闡明運動微生物（尤其電纜細菌）作為載體如何促進沉積物中芘的遷移，揭示其機制及對PAHs環境行為和生態風險評估的影響。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

構建分層沉積物裝置（圖1）：表層（L1）為含原生微生物的沉積物，中層（L2）為滅菌沉積物，深層（L3）為添加Na?S的滅菌沉積物（模擬硫源）。  

 

設置四組：連接組（CG）、阻斷組（BG，0.22μm濾膜阻隔微生物）、連接對照組（CC，L1滅菌）、阻斷對照組（BC）。  

 

芘添加于L2層，監測50天內遷移。  

多尺度監測：  

 

化學分析：芘濃度（GC-MS）、硫酸鹽（離子色譜）、酸揮發性硫化物（AVS，分光光度法）；  

 

微生物分析：16S rRNA基因測序（ASV水平）、qPCR定量、遷移微生物群落鑒定；  

 

形態學：SEM、FISH觀察電纜細菌形態及吸附現象；  

 

微剖面：丹麥Unisense微電極測量O?、pH、H?S剖面。  

 

測量數據及研究意義

芘濃度（圖2）：  

 

CG組L3層芘濃度（42.7-57.3 mg/kg）顯著高于CC組（36.4-38.4 mg/kg），證實微生物遷移主導芘的深層運輸。  

 

意義：首次量化微生物載體對PAHs遷移的貢獻（49.2%↑），挑戰傳統"僅擴散/沉降"遷移模型。  

微生物群落（圖3）：  

 

qPCR顯示CG組L3層16S rRNA基因拷貝數顯著高于BG組（圖3a）。  

 

鑒定262個向下遷移ASV（圖3b），優勢菌為絲狀運動微生物（如Candidatus Electronema, Paraclostridium）。  

 

意義：揭示電纜細菌等絲狀運動微生物是芘遷移的關鍵載體。  

生物地球化學印記（圖4,5）：  

 

CG組亞氧區pH顯著降低（pH最低7.2），O?快速耗竭（<1 mm深度），硫酸鹽濃度劇增（18→212 mmol/L）。  

 

意義：特征性"O?耗竭-pH酸化"證實電纜細菌電硫氧化（e-SOx）活性，為共遷移提供能量。  

形態學證據（圖6）：  

 

SEM顯示電纜細菌表面吸附大量顆粒（圖6a,b）；FISH和熒光顯微驗證其活性及串珠結構（圖6c,d）。  

 

意義：直接證實微生物載體通過吸附顆粒共遷移芘。  

Peclet數模型（圖7）：  

 

模擬值Pe=0.6-10，證明絲狀微生物運動（v=0.5-1 μm/s）通過對流增強芘吸附（擴散系數D=100-398 μm2/s）。  

 

意義：從生物力學角度解釋絲狀微生物遷移優勢。  

 

結論

微生物載體驅動遷移：電纜細菌等絲狀運動微生物通過滑動運動吸附芘并共遷移至亞氧區，貢獻49.2%的額外遷移量。  

 

遷移機制：  

 

直接機制：微生物表面吸附顆粒（含芘），通過運動實現物理搬運；  

 

間接機制：電纜細菌e-SOx導致亞氧區酸化，促進礦物溶解和芘釋放；消耗H?S為其他微生物創造遷移條件。  

生態意義：微生物載體加速PAHs向沉積物深層遷移，可能降低表層生態風險但增加深層污染擴散，需納入風險評估模型。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

使用丹麥Unisense微電極系統測量的O?、pH、H?S微剖面數據（圖4）具有以下核心價值：  

毫米級分辨率揭示界面過程：  

 

檢測到CG組亞氧區（2-4 cm）特征性pH低谷（最低7.2），與O?耗竭區空間耦合（O?<0.1 mg/L）。  

 

意義：這種"O?耗竭-pH酸化"指紋是電纜細菌電硫氧化（e-SOx）的標志性信號，直接證明其活性及電子傳遞過程。  

量化微生物代謝強度：  

 

CG組亞氧區pH比對照組低0.3-0.5單位（圖4），酸化程度與硫酸鹽增幅（圖5a）正相關。  

 

意義：pH變化幅度反映e-SOx速率，證實電纜細菌代謝強度與芘遷移量正相關（圖2）。  

揭示遷移路徑與環境互作：  

 

O?剖面顯示CG組界面O?滲透深度<1 mm（圖4），迫使電纜細菌向深層硫源遷移。  

 

意義：闡明微生物載體運動方向受氧化還原梯度驅動，解釋芘向L3層富集的原因。  

排除H?S干擾：  

 

H?S在所有組均未檢出（圖4），排除硫化物直接影響芘遷移的可能，凸顯微生物活動的主導性。  

技術優勢：  

 

非破壞性原位監測避免沉積物擾動，毫米級分辨率捕捉傳統方法無法檢測的瞬態界面過程（如10-20天酸化峰值），為微生物-污染物耦合機制提供直接證據。  

 

總結：該研究通過多學科方法證實微生物載體（尤其電纜細菌）是沉積物中PAHs遷移的關鍵驅動者，為PAHs環境行為研究和風險評估提供了新視角。