Cable bacteria extend the impacts of elevated dissolved oxygen into anoxic sediments  

電纜細(xì)菌將溶解氧升高的影響延伸至缺氧沉積物  

來(lái)源：The ISME Journal (2021) 15:1551–1563

《ISME期刊》2021年 第15卷 頁(yè)碼1551–1563

 

摘要內(nèi)容：  

研究揭示了缺氧沉積物對(duì)上層水體溶解氧（DO）波動(dòng)的顯著生物地球化學(xué)響應(yīng)機(jī)制。通過(guò)9周室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)盡管溶解氧僅滲透至沉積物表層毫米級(jí)（eDO組3.98mm vs aDO組1.57mm），但人工提升DO（eDO）顯著改變了0-6cm沉積層的理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)，并加速了多環(huán)芳烴（PAHs）降解。這種深層響應(yīng)與厘米級(jí)導(dǎo)電的電纜細(xì)菌（Candidatus Electronema）密切相關(guān)——eDO促進(jìn)其豐度增加4.5倍（圖4B,C），其長(zhǎng)距離電子傳遞（LDET）活動(dòng)通過(guò)再生硫酸鹽（SO?2?濃度提升2-116倍，圖1B）、降低pH（從7→6.01）和強(qiáng)化微生物互作，驅(qū)動(dòng)了深層沉積物的生物地球化學(xué)過(guò)程。  

 

 

研究目的：  

1. 揭示電纜細(xì)菌如何介導(dǎo)上層DO升高對(duì)缺氧沉積物的影響  

2. 闡明電纜細(xì)菌LDET活動(dòng)對(duì)PAHs降解的促進(jìn)作用機(jī)制  

3. 解析eDO條件下微生物群落互作網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)規(guī)律  

 

研究思路：  

1. 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：采集污染河流沉積物，設(shè)置eDO（7.80 mg/L）與aDO（2.94 mg/L）兩組處理，模擬9周（圖1A）  

2. 多尺度監(jiān)測(cè)：  

   ? 理化參數(shù)：毫米級(jí)溶解氧/pH剖面（Unisense微電極，圖1A,B）、硫酸鹽、PAHs濃度（圖1C）  

 

   ? 微生物響應(yīng)：16S rRNA測(cè)序分析群落結(jié)構(gòu)（圖2,3）、電纜細(xì)菌定量（qPCR/FISH，圖4）  

 

 

   ? 互作網(wǎng)絡(luò)：pMEN分析微生物共現(xiàn)關(guān)系  

 

3. 機(jī)制驗(yàn)證：關(guān)聯(lián)電纜細(xì)菌豐度與硫酸鹽再生、PAHs降解效率（圖1C  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義：  

1. 溶解氧與pH剖面（圖1A,B）  

   ? 數(shù)據(jù)：eDO組氧滲透深度3.98mm（aDO組1.57mm）；eDO組深層pH降至6.01  

 

   ? 意義：證實(shí)氧直接影響僅限表層，但深層酸化提示電纜細(xì)菌LDET活動(dòng)介導(dǎo)了eDO效應(yīng)  

 

2. PAHs降解率（圖1C）  

   ? 數(shù)據(jù)：eDO促進(jìn)各層PAHs降解（頂層+7.7%，中層+6.4%），2環(huán)PAHs降解提升13.1-15.6%  

 

   ? 意義：揭示電纜細(xì)菌通過(guò)再生硫酸鹽驅(qū)動(dòng)硫酸鹽還原菌（SRB）降解PAHs  

 

3. 微生物群落結(jié)構(gòu)（圖2,3）  

   ? 數(shù)據(jù)：NMDS顯示eDO顯著改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)（Adonis檢驗(yàn)p<0.05，表1）；δ-變形菌（含SRB）在中層增加  

 

   ? 意義：eDO通過(guò)電纜細(xì)菌活動(dòng)選擇富集PAHs降解菌（如Novosphingobium）和電活性微生物  

 

4. 電纜細(xì)菌豐度（圖4B,C）  

   ? 數(shù)據(jù)：eDO使電纜細(xì)菌dsrB基因增加4.5倍（qPCR），中層豐度提升5.3倍（16S測(cè)序）  

 

   ? 意義：直接證明eDO刺激電纜細(xì)菌生長(zhǎng)，其LDET是硫酸鹽再生與pH降低的核心驅(qū)動(dòng)力  

 

5. 微生物互作網(wǎng)絡(luò)  

   ? 數(shù)據(jù)：eDO下電纜細(xì)菌與PAHs降解菌（60.6%）、電活性菌（26.8%）的正互作增強(qiáng)  

 

   ? 意義：揭示LDET構(gòu)建"微生物導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)"，強(qiáng)化種間協(xié)同降解PAHs  

 

結(jié)論：  

1. 電纜細(xì)菌是eDO效應(yīng)的關(guān)鍵媒介：其LDET活動(dòng)將表層氧影響延伸至缺氧深層，改變沉積物理化性質(zhì)（SO?2?↑, pH↓）  

2. 促進(jìn)PAHs降解機(jī)制：LDET再生硫酸鹽，富集SRB和PAHs降解菌，并通過(guò)微生物互作網(wǎng)絡(luò)加速污染物降解  

3. 生態(tài)修復(fù)意義：為潮汐區(qū)/稻田等周期性氧化-缺氧環(huán)境中的污染物降解提供新調(diào)控靶點(diǎn)  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：  

使用Unisense微電極系統(tǒng)（材料與方法章節(jié)）獲取溶解氧（OX-N傳感器）和pH的毫米級(jí)垂向剖面（圖1A,B）：  

1. 精準(zhǔn)量化氧滲透極限：直接證實(shí)eDO僅使氧滲透深度增加2.4mm（3.98mm vs 1.57mm），排除"氧直接擴(kuò)散至深層"的傳統(tǒng)假設(shè)  

2. 揭示LDET的間接證據(jù)：觀測(cè)到深層沉積物pH顯著下降（從7→6.01），與電纜細(xì)菌氧化硫化物的產(chǎn)酸效應(yīng)吻合，為L(zhǎng)DET活動(dòng)提供關(guān)鍵地球化學(xué)證據(jù)  

3. 關(guān)聯(lián)微生物響應(yīng)：明確氧影響的空間異質(zhì)性（表層微生物以好氧菌為主，深層依賴LDET），解釋群落結(jié)構(gòu)的分層差異（圖2,3）  

4. 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：原位無(wú)損監(jiān)測(cè)避免采樣擾動(dòng)，毫米級(jí)分辨率捕捉沉積物微界面動(dòng)態(tài)，為"氧滲透有限但深層響應(yīng)顯著"的矛盾現(xiàn)象提供實(shí)證