Cable bacteria extend the impacts of elevated dissolved oxygen into anoxic sediments  

電纜細菌將溶解氧升高的影響延伸至缺氧沉積物  

來源：The ISME Journal (2021) 15:1551–1563

《ISME期刊》2021年 第15卷 頁碼1551–1563

 

摘要內容：  

研究揭示了缺氧沉積物對上層水體溶解氧（DO）波動的顯著生物地球化學響應機制。通過9周室內模擬實驗，發現盡管溶解氧僅滲透至沉積物表層毫米級（eDO組3.98mm vs aDO組1.57mm），但人工提升DO（eDO）顯著改變了0-6cm沉積層的理化性質、微生物群落結構，并加速了多環芳烴（PAHs）降解。這種深層響應與厘米級導電的電纜細菌（Candidatus Electronema）密切相關——eDO促進其豐度增加4.5倍（圖4B,C），其長距離電子傳遞（LDET）活動通過再生硫酸鹽（SO?2?濃度提升2-116倍，圖1B）、降低pH（從7→6.01）和強化微生物互作，驅動了深層沉積物的生物地球化學過程。  

 

 

研究目的：  

1. 揭示電纜細菌如何介導上層DO升高對缺氧沉積物的影響  

2. 闡明電纜細菌LDET活動對PAHs降解的促進作用機制  

3. 解析eDO條件下微生物群落互作網絡的重構規律  

 

研究思路：  

1. 對比實驗設計：采集污染河流沉積物，設置eDO（7.80 mg/L）與aDO（2.94 mg/L）兩組處理，模擬9周（圖1A）  

2. 多尺度監測：  

   ? 理化參數：毫米級溶解氧/pH剖面（Unisense微電極，圖1A,B）、硫酸鹽、PAHs濃度（圖1C）  

 

   ? 微生物響應：16S rRNA測序分析群落結構（圖2,3）、電纜細菌定量（qPCR/FISH，圖4）  

 

 

   ? 互作網絡：pMEN分析微生物共現關系  

 

3. 機制驗證：關聯電纜細菌豐度與硫酸鹽再生、PAHs降解效率（圖1C  

 

測量數據及其研究意義：  

1. 溶解氧與pH剖面（圖1A,B）  

   ? 數據：eDO組氧滲透深度3.98mm（aDO組1.57mm）；eDO組深層pH降至6.01  

 

   ? 意義：證實氧直接影響僅限表層，但深層酸化提示電纜細菌LDET活動介導了eDO效應  

 

2. PAHs降解率（圖1C）  

   ? 數據：eDO促進各層PAHs降解（頂層+7.7%，中層+6.4%），2環PAHs降解提升13.1-15.6%  

 

   ? 意義：揭示電纜細菌通過再生硫酸鹽驅動硫酸鹽還原菌（SRB）降解PAHs  

 

3. 微生物群落結構（圖2,3）  

   ? 數據：NMDS顯示eDO顯著改變群落結構（Adonis檢驗p<0.05，表1）；δ-變形菌（含SRB）在中層增加  

 

   ? 意義：eDO通過電纜細菌活動選擇富集PAHs降解菌（如Novosphingobium）和電活性微生物  

 

4. 電纜細菌豐度（圖4B,C）  

   ? 數據：eDO使電纜細菌dsrB基因增加4.5倍（qPCR），中層豐度提升5.3倍（16S測序）  

 

   ? 意義：直接證明eDO刺激電纜細菌生長，其LDET是硫酸鹽再生與pH降低的核心驅動力  

 

5. 微生物互作網絡  

   ? 數據：eDO下電纜細菌與PAHs降解菌（60.6%）、電活性菌（26.8%）的正互作增強  

 

   ? 意義：揭示LDET構建"微生物導線網絡"，強化種間協同降解PAHs  

 

結論：  

1. 電纜細菌是eDO效應的關鍵媒介：其LDET活動將表層氧影響延伸至缺氧深層，改變沉積物理化性質（SO?2?↑, pH↓）  

2. 促進PAHs降解機制：LDET再生硫酸鹽，富集SRB和PAHs降解菌，并通過微生物互作網絡加速污染物降解  

3. 生態修復意義：為潮汐區/稻田等周期性氧化-缺氧環境中的污染物降解提供新調控靶點  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：  

使用Unisense微電極系統（材料與方法章節）獲取溶解氧（OX-N傳感器）和pH的毫米級垂向剖面（圖1A,B）：  

1. 精準量化氧滲透極限：直接證實eDO僅使氧滲透深度增加2.4mm（3.98mm vs 1.57mm），排除"氧直接擴散至深層"的傳統假設  

2. 揭示LDET的間接證據：觀測到深層沉積物pH顯著下降（從7→6.01），與電纜細菌氧化硫化物的產酸效應吻合，為LDET活動提供關鍵地球化學證據  

3. 關聯微生物響應：明確氧影響的空間異質性（表層微生物以好氧菌為主，深層依賴LDET），解釋群落結構的分層差異（圖2,3）  

4. 技術優勢：原位無損監測避免采樣擾動，毫米級分辨率捕捉沉積物微界面動態，為"氧滲透有限但深層響應顯著"的矛盾現象提供實證