研究简介:光合作用是地球上生命存在和生物地球化学循环的基础过程之一，它在河流系统中对碳和氮的循环具有显著影响。在海洋环境中，光合作用主要由浮游微藻进行，而在河流中，沉积物表面的微生物垫和附着在石头上的生物膜也扮演着重要角色。这些微生物垫是密集的微生物群落，具有高代谢速率，这得益于微生物群落的密集性和有机碳及营养物的高可用性。微生物垫中的光合微生物不仅为河流生态系统提供有机碳和氧气，还接收来自上覆水体的有机碳和营养物。尽管微生物垫的厚度通常只有几毫米，但微生物垫内的微生物过程表现出垂直分带现象。微电极技术的应用使得科学家能够以高空间分辨率研究这种微区域化现象，并揭示了微生物垫中氧气呼吸、硝化作用和硫酸盐还原等过程。河流系统中的光合作用导致沉积物中氧气和有机碳浓度的增加，进而影响沉积物中的微生物过程。尽管光合作用区的厚度通常小于1毫米，但由于光的穿透性有限，该区域的光合速率非常高。微电极测量显示，在蓝细菌垫和天然生物膜中存在高光合速率。此外，光、氧气浓度和温度等因素都会影响蓝细菌垫中的光合活动。河流流经城市地区时，会接收到来自周边土地的人为输入，如有机碳、氮和磷等营养物质。在河口区域，由于潮汐的影响，物理和化学因素（如阳光、有机碳和营养物的浓度、流速和盐度）会发生多种变化，这些变化以及养分的滞留可能会影响沉积物中的微生物光合作用和其他微生物过程。因此，与非潮汐区相比，潮汐区沉积物中的微生物过程可能在空间和时间上表现出更大的动态变化。


本研究聚焦于日本八户市新田河潮汐区沉积物中的净光合作用活动，并探讨了光强度对微生物过程微区域化的影响。使用微电极进行了沉积物中O2、NH4+、NO2、H2S和pH浓度剖面的实验室测量，以及净光合速率和总光合速率的测量，究了这些环境因素如何影响沉积物中的微生物过程，并评估了河水质量和沉积物的环境条件。


Unisense微电极测定系统的应用


使用不同型号的unisense微电极，包括氧气（O2）、氨（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）、硫化氢（H2S）和pH的微电极。其中氧气微电极是克拉克型微电极，具有约15微米的尖端直径和小于0.5秒的90%响应时间。采用标准方法对上述微电极进行校正。为了实现微电极测量，构建了一个流动电池反应器，尺寸为60(L)×10(W)×5(H)厘米。沉积物样品被放置在反应器中，微生物垫表面与反应器底部对齐。在测量过程中，以平均流速2厘米/秒向反应器供应5.0升的介质。光强度可以根据实验需要进行调整，以模拟不同的光照条件。微电极安装在电动微操作器上，以实现精确的定位。以0.05-0.3毫米的间隔记录了沉积物中的浓度剖面，从液体进入沉积物。并且使用显微镜确定微生物垫的表面，实验过程中使用卤素灯提供所需的光照。


实验结果


通过微电极技术在日本八户市新田河潮汐区的沉积物中以高空间分辨率确定了光合作用活性。光合作用发生在沉积物的上0.5毫米中。微电极测量表明，在沉积物的上5毫米中存在垂直的氧呼吸、硝化和SO4 2-还原的微分带。随着光强度的增加，沉积物中的净光合作用率和氧气渗透深度增加。因此，沉积物中发生的无氧微生物过程的位置和活动可能随着太阳光强度的周期性波动而波动。

图1、显示了日本八户市新井田河中采样点（点1和点2）的地图。

图2、在点1的沉积物中的垂直截面中O2浓度的代表性二维等值图。O2浓度是在10 mmol-photons/m2/s的光强度下测量的。右边边缘的数字表示O2浓度。通过显微观察确定的微生物垫表面用一条线表示。微生物垫和沉积物分别用灰色区域和虚线区域表示。

图3、在点1的沉积物中的O2、NH4+、NO2、H2S和pH的平均稳态浓度剖面。O2浓度是在10 mmol-photons/m2/s的光强度下测量的。误差条代表测量的标准偏差。微生物垫表面在深度为0毫米处。微生物垫和沉积物分别用灰色区域和虚线区域表示。

图4、在点1的沉积物中的平均稳态O2浓度剖面（开放圆圈）和计算得到的净氧产生和消耗速率（柱状图）。O2浓度是在10（A）、400（B）、1050（C）、1550（D）和1900（E）mmol photons/m2/s的光强度下测量的。误差条代表测量的标准偏差。正值和负值分别表示氧气产生和消耗速率。微生物垫表面在深度为0毫米处。微生物垫和沉积物分别用灰色区域和虚线区域表示。

图5、在点1的沉积物中的平均总光合速率（填充圆圈）和计算得到的O2呼吸速率（开放圆圈）的剖面，在1900 mmol photons/m2/s的光强度下。误差条代表测量的标准偏差。正值和负值分别表示O2产生和O2呼吸速率。微生物垫表面在深度为0毫米处。微生物垫和沉积物分别用灰色区域和虚线区域表示。


结论与展望


本研究调查了日本八户市新田河潮汐区沉积物表层内的光合作用速率及其受光照调节的情况。unisense微电极系统允许研究人员以极高的空间分辨率（毫米级甚至更细）测量沉积物中的化学成分，这包括氧气（O2）、氨（NH4+）、亚硝酸盐（NO2-）、硫化氢（H2S）和pH值等关键参数。在沉积物中发现了氧气呼吸、反硝化和硫酸盐还原的微区化。当光照强度超过1050毫摩尔光子/平方米/秒时，在潮汐区沉积物表面微生物垫上0.5毫米处检测到净光合活动。相反，在1900毫摩尔光子/平方米/秒时，在微生物垫上1.0毫米处检测到总光合活动。随着光照强度的增加，净光合速率和氧气渗透深度增加。在1900毫摩尔光子/平方米/秒时，最大净光合速率和氧气渗透深度分别为6.1毫摩尔O2/立方厘米/小时和2.2毫米。潮汐区微生物垫中的净光合速率低于上游沉积物。通过人工光暗周期期间对微生物垫不同层中连续氧气浓度测量的分析表明，对光照强度变化的光合活动响应非常快（几秒），微生物垫中的氧气浓度在200秒内变得稳定。对河水中的物理和化学参数进行的测量显示，研究地点相对污染，阳光强度在时间上明显波动。这些结果表明，沉积物中发生的原位微生物过程随着阳光强度周期性波动而波动。微电极系统在本研究中是实现精确测量和深入理解沉积物中微生物过程的关键技术，它为评估环境因素对河流生态系统中微生物活动的影响提供了重要的实验数据和见解。