研究簡介:富營養(yǎng)化和藍(lán)藻水華主要是由過量營養(yǎng)物負(fù)荷引起的，尤其是磷（P）被認(rèn)為是限制浮游植物生長的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)。沉積物細(xì)菌可以通過聚磷酸鹽積累微生物和與Fe氧化還原相關(guān)的微生物影響P的通量，主要是通過多磷酸鹽積累微生物和Fe氧化還原相關(guān)微生物。微生物活動可以增強(qiáng)沉積物中磷（P）的固定，但其背后的具體機(jī)制尚未完全明了。太湖是中國一個面臨富營養(yǎng)化問題的淡水湖，沉積物中的磷釋放是導(dǎo)致該問題持續(xù)存在的關(guān)鍵因素之一。鐵（Fe）和硫化物（S）的氧化還原形態(tài)被認(rèn)為通過微生物作用影響沉積物和水之間的磷轉(zhuǎn)移。在富營養(yǎng)化的淺水湖泊中，當(dāng)處于好氧環(huán)境時，多磷酸鹽積累微生物會將多余的P儲存在其細(xì)胞中，當(dāng)環(huán)境變?yōu)閰捬鯐r會釋放P；這些過程通常在海洋和寡營養(yǎng)湖泊中起著關(guān)鍵作用。沉積物具有高度的異質(zhì)性，因此研究中對采集的沉積物樣本進(jìn)行了混合和篩選，以減少這種異質(zhì)性對實驗結(jié)果的影響。研究設(shè)計了三種處理條件（未處理、接種、滅菌）來研究微生物對沉積物中磷固定能力的影響。使用了高分辨率透析和DGT技術(shù)來獲取溶解態(tài)和活性態(tài)的鐵、磷和硫化物的分布情況，這些技術(shù)能夠提供對沉積物中氧化還原敏感成分的準(zhǔn)確測量。通過16S rRNA高通量測序技術(shù)，研究了不同處理條件下沉積物中細(xì)菌群落的豐度和組成。本研究主要探討在太湖梅梁灣的富營養(yǎng)化沉積物中，通過細(xì)菌氧化鐵或硫化物來增強(qiáng)磷保留的機(jī)制。

Unisense野外微電極研究系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極被用來測量沉積物-水界面（SWI）處的溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh）。使用微電極（OX-100和RD-100，Unisense，丹麥）測量了SWI處的溶解氧（DO）和氧化還原狀態(tài)（Eh）。

實驗結(jié)果

研究表明滅菌降低了沉積物固定P的能力，微生物對P的固定關(guān)鍵沉積物深度層為0-10毫米。此外滅菌完全抑制了細(xì)菌活性，并顯著降低了細(xì)菌群落的多樣性。滅菌或接種顯著改變了細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)，其中，綠彎菌門、變形菌門和擬桿菌門在非處理、接種和滅菌沉積物中最為主要。在這項研究中，微好氧或厭氧條件下的Fe氧化或硫氧化在細(xì)菌對沉積物中P的保留中起著重要作用。在接種滅菌后，細(xì)菌的保留P的能力顯著增強(qiáng)，盡管沒有恢復(fù)到原來的水平。這意味著細(xì)菌群在接種后能夠快速建立起負(fù)反饋調(diào)節(jié)的能力，一旦本地沉積物細(xì)菌的功能和結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，盡管這需要進(jìn)一步在野外驗證。

圖1、不同處理沉積物中DGT可溶性和溶解態(tài)磷/鐵的濃度，水體和沉積物界面處濃度的垂直分布（左），三個深度層的平均濃度（右；a、b和c表示在層內(nèi)不同處理之間的Duncan事后檢驗結(jié)果，顯著性水平為0.05）。

圖2、沉積物芯的溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh）的垂直分布。

圖3、沉積物芯中DGT可溶性硫化物的二維濃度分布圖像。

圖4、掃描電子顯微鏡圖像（左），表面沉積物的CH4和CO2通量以及細(xì)菌群的Shannon多樣性（右）（Ntr：非處理沉積物芯；Ino：接種沉積物芯；Ste：滅菌沉積物芯）。

圖5、細(xì)菌群對沉積物中P保留的潛在機(jī)制（FeOB：Fe(II)氧化細(xì)菌；FeRB：Fe(III)還原細(xì)菌；SOB：硫化物氧化細(xì)菌；SRB：硫酸鹽還原細(xì)菌；紅色箭頭表示每個處理中P轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵過程；%表示關(guān)鍵細(xì)菌屬的相對豐度）。

結(jié)論與展望

微生物活動可以增強(qiáng)沉積物中磷（P）的固定，但對其背后機(jī)制知之甚少。本研究從太湖中最富營養(yǎng)的梅梁灣取樣沉積物核，并在實驗室孵育實驗中設(shè)置了三種處理，包括（a）未處理的沉積物核，（b）接種，和（c）滅菌。采用高分辨率透析和薄膜中的擴(kuò)散梯度（DGT）技術(shù)分別獲取了溶解的和活性的鐵（Fe）和磷（P）。采用基于AgI的DGT技術(shù)測量了活性硫化物的二維分布。Unisense微電極被用來測量沉積物-水界面（SWI）處的溶解氧（DO）和氧化還原電位（Eh）。通過在不同深度使用微電極，研究者能夠評估沉積物中不同層次的氧化還原狀態(tài)，這對于理解沉積物的垂直異質(zhì)性及其對磷循環(huán)的影響至關(guān)重要。采用掃描電子顯微鏡和16S rRNA高通量測序技術(shù)調(diào)查了細(xì)菌群落。結(jié)果顯示滅菌減少了沉積物固定磷的能力，并且微生物磷固定的關(guān)鍵沉積物深度層為0-10毫米。此外，滅菌或接種顯著改變了細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)。在微好氧或厭氧條件下的Fe或S氧化在細(xì)菌保留沉積物中的磷中起著重要作用。在接種沉積物中的硝酸鹽還原偶聯(lián)Fe（II）氧化細(xì)菌（Acidovorax）和在未處理沉積物中的電生硫氧化細(xì)菌（Candidatus Electronema）被確定為負(fù)責(zé)沉積物中磷保留的關(guān)鍵細(xì)菌屬。