Electrogenic sulfide oxidation mediated by cable bacteria stimulates sulfate reduction in freshwater sediments  

電纜細菌介導的電硫氧化促進淡水沉積物中硫酸鹽還原  

來源：The ISME Journal, (2020) 14:1233–1246

《國際微生物生態學會雜志》，2020年，第14卷，第1233–1246頁

 

摘要核心內容

 

研究通過對比實驗（有氧 vs. 缺氧）探究電纜細菌在淡水沉積物中對硫循環的影響。核心發現：  

1. 電纜細菌活動顯著提升硫酸鹽濃度：通過電硫氧化（e-SOx）直接氧化硫化物為硫酸鹽，溶解固態硫化物（如FeS），并利用電場促進硫酸鹽滯留，使沉積物硫酸鹽濃度增加3-10倍（圖2）。  

 

2. 刺激硫酸鹽還原：硫酸鹽還原率（SRR）在電纜細菌活躍沉積物中提高4.5倍（圖3），但硫酸鹽還原微生物（SRM）群落豐度與組成未顯著改變（圖5）。  

 

 

3. 機制解析：電纜細菌通過緩解硫酸鹽限制（半飽和常數~100-200 μM），解除SRM的動力學限制，而非改變其群落結構。  

 

研究目的

 

1. 驗證電纜細菌能否通過e-SOx提升淡水沉積物中硫酸鹽可用性；  

2. 探究硫酸鹽濃度升高對SRM活性的影響；  

3. 分析電纜細菌與SRM的互作關系及其對硫循環的調控作用。  

 

研究思路

 

1. 實驗設計：  

   ? 采集丹麥兩富營養化湖泊（Vilhelmsborg S?, Skanderborg S?）沉積物，建立有氧（促電纜細菌）和缺氧（抑制電纜細菌）微宇宙。  

 

   ? 監測時間：6周，對比兩組沉積物的地球化學與微生物參數。  

 

2. 多參數測量：  

   ? 電化學與化學剖面：電位（EP）、O?、H?S、pH微電極剖面（圖1）；  

 

   ? 硫酸鹽分布：孔隙水硫酸鹽濃度（圖2）；  

 

   ? 代謝速率：硫酸鹽還原率（SRR，3?S示蹤法，圖3）；  

 

   ? 微生物群落：SRM豐度（qPCR）和組成（dsrB基因測序，圖5）。  

 

3. 模型驗證：反應-傳輸模型量化硫酸鹽凈生產/消耗（圖4）及離子通量（圖6）。  

 

 

測量數據及研究意義

 

1. 電位（EP）與化學剖面（圖1）  

   ? 數據：有氧組EP梯度達15.6 mV（Vilhelmsborg）和12.7 mV（Skanderborg），缺氧組無顯著梯度；有氧組pH呈表堿（~8.6）深酸（<6.5）兩極分化。  

 

   ? 意義：證實電纜細菌形成厘米級電子傳遞，驅動亞氧化區（O?與H?S缺失），為e-SOx提供直接證據。  

 

2. 硫酸鹽濃度（圖2）  

   ? 數據：有氧組硫酸鹽庫存較缺氧組高3-10倍（如Vilhelmsborg：27.5 vs. 2.2 mmol m?2）。  

 

   ? 意義：e-SOx直接增加硫酸鹽供給，破解淡水沉積物硫酸鹽限制難題。  

 

3. 硫酸鹽還原率（SRR，圖3）  

   ? 數據：有氧組SRR較缺氧組高3-4.5倍（如Skanderborg：16.4 vs. 5.6 mmol m?2 d?1）。  

 

   ? 意義：硫酸鹽濃度與SRR顯著正相關（r=0.69-0.76），證實電纜細菌通過提升底物濃度刺激SRM代謝活性。  

 

4. SRM群落分析（圖5）  

   ? 數據：有氧組與缺氧組SRM豐度、豐富度及多樣性無顯著差異；電纜細菌dsrB基因占比<0.8%。  

 

   ? 意義：SRR提升源于SRM代謝激活，而非群落結構改變，排除電纜細菌自身還原硫酸鹽的貢獻。  

 

結論

 

1. 三重硫酸鹽提升機制：電纜細菌通過（1）e-SOx直接產硫酸鹽；（2）酸化溶解固態硫化物；（3）電場滯留硫酸鹽，顯著增加硫酸鹽可用性。  

2. SRM代謝激活：硫酸鹽濃度升高解除SRM動力學限制，SRR提升4.5倍，但群落結構穩定。  

3. 生態互作：電纜細菌與SRM形成互利關系——電纜細菌供硫酸鹽，SRM供硫化物，共同放大硫循環。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

1. 厘米級電子傳遞量化：  

   ? EP微電極（分辨率500 μm）記錄到15.6 mV電位梯度（圖1a,c），換算電場強度達1.0 V m?1，直接證實電纜細菌在淡水沉積物中實現長距離電子傳遞。  

 

2. 代謝分區可視化：  

   ? O?/H?S/pH聯測揭示"表層O?還原-深層H?S氧化"的空間解耦代謝（圖1a,c），為e-SOx提供原位證據。  

 

3. 酸化驅動溶解機制：  

   ? pH剖面顯示深層pH<6.5（圖1a,c），結合固態硫化物溶解現象，解釋硫酸鹽來源（FeS + 2H? → Fe2? + H?S）。  

 

4. 離子運移解析：  

   ? 結合EP與硫酸鹽梯度，量化電場對SO?2?的向下漂移通量（圖6），揭示硫酸鹽滯留新機制。