电缆细菌将缺氧沉积物中溶解的硫化物(H 2 S)的氧化与氧气(O 2)或表面沉积物中硝酸盐的还原结合起来，这一过程称为电硫氧化。在活跃的电缆细菌栖息的沉积物中，电子通过其导电周质纤维传输几厘米的距离，从而允许电子受体和电子供体在空间分离的区域中相互作用。在季节性缺氧的格雷维林根湖（荷兰）中，电缆细菌刺激表层沉积物中铁（或锰）氧化物的产生，从而减少了e-SOx活动期间底栖磷酸盐的释放，以及缺氧期间底栖硫化物的释放。电缆细菌是海洋沉积物、咸水沉积物和淡水沉积物中的一种普遍现象。最近的一项研究表明，淡水河流系统中电缆细菌的物种丰富度和分布与水质密切相关，这意味着水质恶化的河流可能是电缆细菌的“热点”。研究人员应用实验室孵化实验来评估富营养化淡水河沉积物中的电缆细菌对Fe、Mn和P沉积动力学的影响。pH、O 2的高分辨率深度分析ΣH 2 S用于跟踪潜伏期内e-SOx活性的时间变化。


通过荧光显微镜观察和高通量基因测序确定电缆细菌的种群动态及其在沉积物中的垂直分布。新型沉积DGT技术与传统连续萃取方法相结合，用于研究沉积物中Fe、Mn和P的形态和深度剖面。相关研究结果表明，电缆细菌刺激淡水沉积物中的沉积磷保留，并且这种捕获机制在其活性下降后仍然活跃，这表明它们可以帮助减少富营养化河流的河流磷负荷。


丹麦Unisense微电极研究系统应用


使用unisense微剖面分析系统（测量潜伏期内pH、O2和∑H2S的高分辨率深度分布。首先对所有三个电极进行校准。O2、H2S和pH测量的微传感器尖端尺寸分别为50µm、100µm和200µm。为了校准氧传感器，使用了两个标准参考点:100%含氧完全饱和的自来水和无氧沉积物(0%含氧)。为了校准H2S传感器，使用浓度从0到20μM的硫化锌溶液建立了四点标准曲线。pH传感器的校准使用NIST认证的标准缓冲溶液，pH值为4.0,7.0和10.0总孔隙水硫化物（∑H2S=[HS]+[HS−]+[S2−]）使用Jeroshewski等人提出的方法计算。使用pH、O2和∑H2S微传感器剖面来估计低氧区宽度、扩散O2吸收（DOU）、阴极O2消耗（COC）速率和电流密度。


实验结果：e-SO x可以调节咸水和海洋沉积物中磷（P）的沉积释放。当e-SO x活跃时，沉积物表面附近会形成富含铁(Fe)和锰(Mn)的氧化物层，从而阻止磷的释放。当e-SO x变得不活跃时，金属氧化物层通过硫化物介导的溶解被还原，随后P被释放到水柱中。电缆细菌已被证明也存在于淡水沉积物中。在这些沉积物中，硫化物的产生是有限的，因此金属氧化物层的溶解效率较低，使得磷被困在沉积物表面。电缆细菌的活动引起低氧区的强烈酸化，导致铁和锰矿物的溶解，从而将溶解的铁2+和Mn 2+强烈释放到孔隙水中。这些移动离子在沉积物表面的氧化导致形成金属氧化物层，捕获溶解的磷，如沉积物顶层含磷金属氧化物的富集以及孔隙和上覆水中的低磷酸盐。e-SO x活性下降后，金属氧化物层不溶解，P仍被捕获在表面。电缆细菌刺激淡水沉积物中的沉积磷保留，并且这种捕获机制在其活性下降后仍然活跃，这表明它们可以帮助减少富营养化河流的河流磷负荷。

图1、在培养过程中，充气处理（a）和对照处理（b）中O2、pH和∑H2S深度分布的时间变化。在整个培养过程中，SAD逐渐增加，产生一个明显的低氧区，其中O2和∑H2S无法检测到。在第20天，沉积物顶层的pH值出现明显峰值，同时较深沉积物的pH值大幅下降。而在缺氧对照处理中，在整个培养期内没有观察到低氧区和典型的电缆细菌活性的pH指纹。

图2、在充气处理的潜伏期内，好氧区（橙色）、缺氧带（浅灰色）和硫化物区（深灰色）发育的时间变化。

图3、通过FISH（a）和16S rRNA基因测序（b）量化的有线细菌深度分布的时间变化及其在毒性处理中的丰度，以及孵育30天后1.0-1.5 cm沉积物间隔的电缆细菌丝的SEM图像（c）。

图4、培养过程中Fe2+（蓝色）、Mn2+（红色）和PO43–（绿色）DGT通量的时间变化。

图5、有氧培养岩心中沉积FeS（a）、Fe氧化物（b）、Mn氧化物（c）、铁结合P（d）和可交换P（e）深度剖面的时间变化。对照核心（第75天）绘制在右侧以供参考。


总结：沉积物的内部磷负荷被认为是主要的淡水系统富营养化和底层水缺氧的原因，尤其是在有着悠久历史的浅水环境中营养物质负荷.沉积磷动力学受有机物有效性控制以及Fe或Mn的氧化还原化学，这反过来又由底层水中的氧气水平.在缺氧条件下，通过含磷铁和锰氧化物的还原溶解，以及优先有机物生成磷。而在毒性条件下，P通常是被不稳定的铁和锰氧化物螯合，在某些情况下通过表层沉积物中的Mn（II）磷酸盐，从而减少海底生物P发布。我们的结果证明电缆细菌的活性可以强烈控制内部富营养化淡水沉积物中的磷动力学。这与一致以前在半咸水和海洋沉积物中观察到的。然而，由于结合P的铁氧化物在淡水系统中的溶解效率较低，电缆细菌引起的海底磷释放减少可能在与海洋系统相比，时间尺度更长。


在本研究中P（Fe结合的P和可交换的P的总和）的保留增加由于电缆细菌活性与初始孵育阶段（第3天）的比较（表2）。如果所有表面沉积物中额外保留的P被释放将导致在静态条件下水体中磷含量增加~5 mg/L水交换。这意味着电缆细菌可能发挥重要作用在富营养化淡水环境中调节内部磷释放的作用。然而，这项研究的发现是基于一个单一的在特定条件下进行的实验室培养实验。这些影响将在富营养化浅水区发生的程度自然条件下的淡水系统还没有完全了解。此外，这些结论是否可以推广还不确定到具有不同生物地球化学性质的其他类型的淡水系统特点。因此，有必要对在现实的现场条件下获得各种类型的沉积物深入了解电缆细菌在控制中的确切作用富营养化淡水系统中磷的内部释放。