研究简介:本文研究了死海中由淡水泉引起的盐度梯度对硫酸盐还原和硫化物氧化过程的影响。死海是一个超咸水体，由于人类活动，其水位和化学性质在过去几十年中发生了显著变化。最近在死海中发现了丰富的微生物垫，主要由硫氧化细菌构成。这些微生物垫的存在与淡水泉的流出有关，泉水降低了周围环境的盐度，并提供了有机物和硫化物。研究通过同位素分析发现，泉水中的硫化物和硫酸盐存在显著的同位素分馏，表明活跃的硫酸盐还原作用。然而泉水沉积物中的硫酸盐还原速率较低，不足以解释观测到的硫化物通量，暗示大部分硫化物可能在泉水的地下流动路径中产生。此外，死海沉积物中的硫酸盐还原速率高于泉水沉积物，表明死海中存在适应极端环境的硫酸盐还原细菌群落。研究人员还探讨了不同微生物垫中硫酸盐还原细菌和硫氧化细菌的群落结构，发现这些结构受到微环境盐度的影响。研究结果表明，死海中硫化物的主要来源是泉水的地下流动路径，而泉水表面沉积物中的硫酸盐还原作用有限，可能是由于盐度的极端变化限制了当地的硫酸盐还原速率。这项研究提供了对极端环境中微生物活动和适应机制的新见解。


Unisense微电极测定系统的应用


Unisense水下原位分析仪被应用于测量死海中不同微生物垫的化学环境，特别是硫化物（H2S）、氧气（O2）、pH等参数。传感器被安装在自动剖面登陆器上，以便在沉积物-水界面处进行测量，记录深度剖面数据，空间分辨率达到100微米。这些数据对于理解硫酸盐还原细菌（SRB）和硫氧化细菌（SOB）的活性和分布至关重要，因为这些微生物过程与硫循环和能量转换直接相关。通过这些原位测量，研究人员能够详细描述了微生物垫中的化学梯度，这对于理解微生物垫中硫氧化和硫酸盐还原的活性至关重要。在WhMat1微生物垫中，通过微传感器测量发现，盐度在微生物垫上方开始急剧下降，pH值从6.1增加到6.6，氧化还原电位和氧气浓度在微生物垫表面急剧下降，硫化物在2毫米的氧化区内被消耗，表明直接的硫化物氧化作用。


实验结论


研究结果表明，死海中由淡水泉提供的硫化物主要是生物起源的，这一点从泉水中硫化物和硫酸盐之间高达39%至50%的同位素分馏中得到证实，这种高分馏通常只在细菌硫酸盐还原过程中出现。在死海沉积物中检测到了硫酸盐还原细菌（SRB）的存在，但其硫酸盐还原速率（SRR）相对较低，这表明死海中的SRB群落适应了极端环境，但可能受到有机质供应限制。死海中的硫化物主要由硫氧化细菌（SOB）在泉水与死海水界面处通过氧气氧化消耗，这一过程提供了比硫酸盐还原更多的能量，有助于SOB群落的生存和高生物量积累。泉水造成的局部盐度降低和外部硫化物供应是SOB高生物量的主要驱动因素。不同微生物垫中SRB和SOB群落结构的差异可能由不同位置的平均盐度决定，这些盐度差异可能是由于不同区域沉积物渗透性的差异，影响了泉水的输入和盐度降低。

图1、死海和纯泉水样本中硫化物和硫酸盐的同位素组成。误差条代表同一点的三次重复样本之间的变化。硫酸盐的变化很小，并包含在符号内。

图2、显示水下泉水中发现的不同微生物群落的图像。WhMat1（a）和DMat（b）覆盖了几平方米的沉积物，（c）WhMat2和（d）Mat4。

图3、显示研究微生物群落中硫酸盐还原细菌（SRB）和硫氧化细菌（SOB）序列频率的图表，以及死海（DS Ref）沉积物（上部）。下部显示每个样本中检测到的属的相对序列频率。

图4、在WhMat1微生物群落中原位测量的微传感器剖面（a和b）和死海参考站点（c和d）。阴影区域（a和b）对应微生物群落的位置，而线条（c和d）表示沉积物表面。低盐度传感器仅能测量高达70 g L 1的盐度，超过这个盐度会超出范围。

图5、在WhMat2微生物群落中垂直悬崖上测量的H2S和氧微传感器剖面，泉水流经过并行。阴影区域表示生物膜的位置。


结论与展望


本研究深入探讨了死海淡水泉形成的极陡盐度梯度中的硫酸盐还原和硫化物氧化过程，揭示了微生物在极端环境中的适应性和硫循环的重要性。研究结果表明，死海中的硫化物主要来源于生物过程，特别是细菌硫酸盐还原，这一点通过泉水中硫化物和硫酸盐之间显著的同位素分馏得到证实。硫酸盐还原速率在泉水沉积物中较低，而在死海沉积物中相对较高，表明死海中存在适应极端环境的硫酸盐还原细菌群落。研究还发现，死海中的硫氧化细菌群落主要依赖于泉水供应的硫化物，这些硫化物在泉水与死海水界面处被氧化。Unisense水下原位分析仪在本研究中发挥了重要作用，它提供了对微生物垫中化学环境的直接测量，包括硫化物、氧气、pH值和氧化还原电位等关键参数。这些参数对于理解硫酸盐还原细菌和硫氧化细菌的活性和分布至关重要。


通过使用Unisense微电极剖面分析系统，研究人员能够在微观尺度上解析沉积物-水界面、生物膜等的化学浓度梯度，从而获得高空间精度和高分辨率的数据。这些数据使研究人员能够深入研究常规方法无法分辨的小尺度过程和作用机理，如好氧厌氧界面、硝化作用和反硝化作用的分布等。本研究不仅增进了对死海中硫循环过程的理解，而且展示了Unisense水下原位分析仪在极端环境微生物生态学研究中的应用价值，为未来在类似极端环境中的微生物生态和生物地球化学过程研究提供了重要的技术和方法。