研究简介:富营养化和蓝藻水华主要是由过量营养物负荷引起的，尤其是磷（P）被认为是限制浮游植物生长的关键营养物质。沉积物细菌可以通过聚磷酸盐积累微生物和与Fe氧化还原相关的微生物影响P的通量，主要是通过多磷酸盐积累微生物和Fe氧化还原相关微生物。微生物活动可以增强沉积物中磷（P）的固定，但其背后的具体机制尚未完全明了。太湖是中国一个面临富营养化问题的淡水湖，沉积物中的磷释放是导致该问题持续存在的关键因素之一。铁（Fe）和硫化物（S）的氧化还原形态被认为通过微生物作用影响沉积物和水之间的磷转移。在富营养化的浅水湖泊中，当处于好氧环境时，多磷酸盐积累微生物会将多余的P储存在其细胞中，当环境变为厌氧时会释放P；这些过程通常在海洋和寡营养湖泊中起着关键作用。沉积物具有高度的异质性，因此研究中对采集的沉积物样本进行了混合和筛选，以减少这种异质性对实验结果的影响。研究设计了三种处理条件（未处理、接种、灭菌）来研究微生物对沉积物中磷固定能力的影响。使用了高分辨率透析和DGT技术来获取溶解态和活性态的铁、磷和硫化物的分布情况，这些技术能够提供对沉积物中氧化还原敏感成分的准确测量。通过16S rRNA高通量测序技术，研究了不同处理条件下沉积物中细菌群落的丰度和组成。本研究主要探讨在太湖梅梁湾的富营养化沉积物中，通过细菌氧化铁或硫化物来增强磷保留的机制。


Unisense野外微电极研究系统的应用


Unisense微电极被用来测量沉积物-水界面（SWI）处的溶解氧（DO）和氧化还原电位（Eh）。使用微电极（OX-100和RD-100，Unisense，丹麦）测量了SWI处的溶解氧（DO）和氧化还原状态（Eh）。


实验结果


研究表明灭菌降低了沉积物固定P的能力，微生物对P的固定关键沉积物深度层为0-10毫米。此外灭菌完全抑制了细菌活性，并显著降低了细菌群落的多样性。灭菌或接种显著改变了细菌群落的结构，其中，绿弯菌门、变形菌门和拟杆菌门在非处理、接种和灭菌沉积物中最为主要。在这项研究中，微好氧或厌氧条件下的Fe氧化或硫氧化在细菌对沉积物中P的保留中起着重要作用。在接种灭菌后，细菌的保留P的能力显著增强，尽管没有恢复到原来的水平。这意味着细菌群在接种后能够快速建立起负反馈调节的能力，一旦本地沉积物细菌的功能和结构受到严重破坏，尽管这需要进一步在野外验证。

图1、不同处理沉积物中DGT可溶性和溶解态磷/铁的浓度，水体和沉积物界面处浓度的垂直分布（左），三个深度层的平均浓度（右；a、b和c表示在层内不同处理之间的Duncan事后检验结果，显著性水平为0.05）。

图2、沉积物芯的溶解氧（DO）和氧化还原电位（Eh）的垂直分布。

图3、沉积物芯中DGT可溶性硫化物的二维浓度分布图像。

图4、扫描电子显微镜图像（左），表面沉积物的CH4和CO2通量以及细菌群的Shannon多样性（右）（Ntr：非处理沉积物芯；Ino：接种沉积物芯；Ste：灭菌沉积物芯）。

图5、细菌群对沉积物中P保留的潜在机制（FeOB：Fe(II)氧化细菌；FeRB：Fe(III)还原细菌；SOB：硫化物氧化细菌；SRB：硫酸盐还原细菌；红色箭头表示每个处理中P转化的关键过程；%表示关键细菌属的相对丰度）。


结论与展望


微生物活动可以增强沉积物中磷（P）的固定，但对其背后机制知之甚少。本研究从太湖中最富营养的梅梁湾取样沉积物核，并在实验室孵育实验中设置了三种处理，包括（a）未处理的沉积物核，（b）接种，和（c）灭菌。采用高分辨率透析和薄膜中的扩散梯度（DGT）技术分别获取了溶解的和活性的铁（Fe）和磷（P）。采用基于AgI的DGT技术测量了活性硫化物的二维分布。Unisense微电极被用来测量沉积物-水界面（SWI）处的溶解氧（DO）和氧化还原电位（Eh）。通过在不同深度使用微电极，研究者能够评估沉积物中不同层次的氧化还原状态，这对于理解沉积物的垂直异质性及其对磷循环的影响至关重要。采用扫描电子显微镜和16S rRNA高通量测序技术调查了细菌群落。结果显示灭菌减少了沉积物固定磷的能力，并且微生物磷固定的关键沉积物深度层为0-10毫米。此外，灭菌或接种显著改变了细菌群落的结构。在微好氧或厌氧条件下的Fe或S氧化在细菌保留沉积物中的磷中起着重要作用。在接种沉积物中的硝酸盐还原偶联Fe（II）氧化细菌（Acidovorax）和在未处理沉积物中的电生硫氧化细菌（Candidatus Electronema）被确定为负责沉积物中磷保留的关键细菌属。