Effects of sulfide availability on the metabolic activity and population dynamics of cable bacteria in freshwater sediment  

硫化物可用性對淡水沉積物中電纜細(xì)菌代謝活性和種群動態(tài)的影響  

來源： Science of the Total Environment 808 (2022) 151817

《總體環(huán)境科學(xué)》 第808卷，2022年，文章編號：151817

 

摘要

討論了電纜細(xì)菌在多種自然環(huán)境中的出現(xiàn)及其電硫氧化過程（e-SOx）對沉積物生物地球化學(xué)的影響，尤其是在淡水沉積物中環(huán)境因素控制其生長和多樣性的知識不足。通過實(shí)驗(yàn)室孵化實(shí)驗(yàn)，使用不同硫化物供給水平的淡水沉積物，研究硫化物可用性如何影響電纜細(xì)菌的代謝活性和種群動態(tài)。結(jié)果表明，中等硫化物可用性促進(jìn)電纜細(xì)菌的快速增殖、更大種群規(guī)模、延長活動持續(xù)時(shí)間、促進(jìn)更深沉積物層中的生長，并影響種群物種組成。這為基于電纜細(xì)菌的環(huán)境生物技術(shù)提供了新見解。  

 

研究目的

探究硫化物可用性如何影響淡水沉積物中電纜細(xì)菌的生長、深度分布和物種組成，以填補(bǔ)淡水環(huán)境中電纜細(xì)菌控制因素的知識空白，并為環(huán)境生物技術(shù)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。  

 

研究思路

從溫榆河采集淡水沉積物和上覆水，通過添加不同水平的硫化物（0、3、6、9 mmol kg?1）創(chuàng)建四個(gè)處理組，進(jìn)行42天的實(shí)驗(yàn)室孵化。期間，使用丹麥unisense微電極定期測量O?、ΣH?S和pH深度剖面，計(jì)算ΔpH、陰極氧消耗率（COC）和H?S擴(kuò)散通量；通過熒光原位雜交（FISH）在25天和42天分析電纜細(xì)菌豐度和深度分布；通過16S rRNA基因測序分析物種組成；最后，整合數(shù)據(jù)評估硫化物可用性對電纜細(xì)菌活動、種群動態(tài)和多樣性的影響。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

測量數(shù)據(jù)：使用丹麥unisense電極監(jiān)測O?、ΣH?S和pH的深度剖面（來自圖1）。研究意義：這些數(shù)據(jù)直接量化電纜細(xì)菌e-SOx活動的強(qiáng)度和時(shí)間動態(tài)，如通過ΔpH和COC顯示硫化物可用性如何促進(jìn)代謝活動的快速發(fā)展和維持高活動水平，幫助理解環(huán)境硫化物在控制電纜細(xì)菌代謝機(jī)制中的作用。  

 

  

測量數(shù)據(jù)：計(jì)算ΔpH、COC和H?S擴(kuò)散通量的時(shí)間變化（來自圖2）。研究意義：ΔpH和COC作為e-SOx活動的指標(biāo)，揭示硫化物可用性如何影響電纜細(xì)菌的生長階段（如縮短滯后期、延長穩(wěn)定期），而H?S通量數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)硫化物供應(yīng)與細(xì)菌增殖，闡明電子供體可用性對種群動態(tài)的驅(qū)動作用。  

 

  

測量數(shù)據(jù)：通過FISH測量電纜細(xì)菌豐度的深度分布和集成密度（來自圖3、4、5）。研究意義：這些數(shù)據(jù)展示硫化物可用性如何增加種群大小并改變垂直分布，特別是深層沉積物中豐度顯著提升，表明硫化物可用性擴(kuò)展了電纜細(xì)菌對沉積物生物地球化學(xué)的垂直影響范圍。  

 

 

 

    

測量數(shù)據(jù)：通過16S rRNA測序分析電纜細(xì)菌物種組成和相對豐度（來自圖6和表2）。研究意義：數(shù)據(jù)顯示硫化物可用性改變共存物種的相對比例（如主導(dǎo)物種OUT1減少而OUT2增加），揭示硫化物在塑造電纜細(xì)菌種間關(guān)系和多樣性中的作用，為理解環(huán)境壓力下的種群適應(yīng)提供依據(jù)。  

 

  

 

結(jié)論

中等硫化物可用性導(dǎo)致電纜細(xì)菌的快速增殖、更大種群規(guī)模、更高e-SOx活動強(qiáng)度。  

 

增加硫化物可用性延長電纜細(xì)菌活動持續(xù)時(shí)間，并促進(jìn)其在更深沉積物層中的生長，擴(kuò)展對沉積物生物地球化學(xué)的垂直影響。  

 

硫化物可用性影響電纜細(xì)菌種群的物種組成和相對豐度，如減少主導(dǎo)物種OUT1的比例并增加OUT2，表明其在調(diào)節(jié)種間關(guān)系中發(fā)揮作用。  

 

使用丹麥unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥unisense電極測量的O?、ΣH?S和pH數(shù)據(jù)（來自圖1和2）具有重要研究意義。這些微電極提供高分辨率深度剖面，能實(shí)時(shí)監(jiān)測沉積物中氧消耗、硫化物分布和pH變化的時(shí)空動態(tài)。通過計(jì)算ΔpH（pH最大值與最小值之差）和陰極氧消耗率（COC），數(shù)據(jù)直接量化電纜細(xì)菌電硫氧化（e-SOx）活動的強(qiáng)度和發(fā)展階段。例如，圖2顯示較高硫化物處理中COC峰值提前且更高，表明硫化物可用性加速e-SOx活動并提升其強(qiáng)度。同時(shí)，ΣH?S剖面與通量數(shù)據(jù)（圖2c）關(guān)聯(lián)硫化物供應(yīng)與電纜細(xì)菌增殖，揭示電子供體可用性是驅(qū)動代謝活性的關(guān)鍵因素。此外，pH酸化區(qū)域的監(jiān)測幫助評估硫化物氧化對沉積物酸-堿平衡的影響。這些數(shù)據(jù)綜合起來，闡明硫化物可用性如何通過調(diào)節(jié)代謝活動來影響電纜細(xì)菌的生長動態(tài)，為理解環(huán)境因素控制機(jī)制提供了實(shí)證基礎(chǔ)，并支持調(diào)控硫化物可用性以優(yōu)化電纜細(xì)菌在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用。