Impact of electrogenic sulfur oxidation on sedimentary biogeochemical cycling: a field study at a coastal marine sediment

電致硫氧化對海岸沉積物生物地球化學的影響

來源：Geochimica et Cosmochimica Acta 194 (2016) 211–232

 

摘要內容

本論文研究了電活性硫氧化（e-SOx）在海洋沉積物中的生物地球化學效應。摘要指出，e-SOx是一種新發現的機制，由電纜細菌介導，通過長距離電子傳輸耦合硫氧化反應，導致沉積物中氧化還原過程的顯著改變。研究發現，e-SOx在自然條件下強烈調節碳、鐵、硫循環，并影響營養鹽和金屬的遷移。論文通過現場研究證實了e-SOx的存在，并量化了其對沉積物通量和循環的貢獻。

 

研究目的

研究的主要目的是評估e-SOx在自然海洋沉積物中對生物地球化學循環的影響。具體目標包括：驗證e-SOx在比利時沿海區域（Station 130）的現場發生、量化電纜細菌的豐度和活動、測定e-SOx誘導的電流密度和離子漂移效應，并分析e-SOx如何改變碳、硫、鐵、錳和鈣的循環。研究旨在填補實驗室研究與現場條件之間的空白，提供e-SOx在真實環境中的地球化學指紋。

 

研究思路

研究思路基于多學科現場調查，結合微傳感器測量、孔隙水化學分析和固體相表征。研究在2014年1月、3月和5月進行了三次采樣活動，采集沉積物巖心，使用微電極剖面測量溶解氧（O2）、硫化氫（H2S）和pH，以識別e-SOx的特征指紋（如亞氧化區和pH極值）。同時，通過孔隙水提取和固體相分析，量化了營養鹽、金屬和硫化合物的深度分布。電纜細菌的密度通過熒光原位雜交（FISH）確定，而電流密度和離子漂移效應則從堿度剖面推導。數據通過PROFILE軟件進行反演建模，以估計生產/消耗速率，并構建了碳和硫循環的質量平衡模型。

測量的數據方面及研究意義

研究測量了多個方面的數據，這些數據揭示了e-SOx對沉積物動力學的綜合影響。以下分點描述，并注明數據來源的圖和表：

 

微傳感器剖面數據（O2、H2S、pH）：這些數據來自圖3，顯示了氧滲透深度（OPD）、硫化物出現深度（SAD）和pH深度剖面。例如，OPD為2-3毫米，SAD為2.5-5.0厘米，pH在亞氧化區顯示酸性最小值（~6.4）。這些測量直接標識了e-SOx的指紋，證實了電纜細菌在自然沉積物中的活動。研究意義在于提供了e-SOx的現場證據，并允許量化亞氧化區的范圍，這對于理解長距離電子傳輸的尺度至關重要。

 

孔隙水化學數據：包括溶解無機碳（DIC）、NH4+、PO4^3-、SO4^2-、Ca2+、Fe2+、Mn2+和堿度（AT）的深度剖面，如圖5所示。這些數據揭示了e-SOx誘導的溶質積累（如Ca2+和Fe2+在亞氧化區富集）和消耗模式。研究意義在于展示了e-SOx如何促進碳酸鹽溶解和硫循環改變，例如，Ca2+的富集反映了酸性條件下礦物的溶解，而SO4^2-的剖面顯示了e-SOx導致的凈生產。

 

固體相分析數據：包括顆粒有機碳（POC）、顆粒無機碳（PIC）、酸揮發性硫化物（AVS）和元素硫（S0）的深度分布，如圖4所示。數據顯示了表層POC和AVS的耗竭，以及S0的富集。研究意義在于揭示了e-SOx對硫形態轉化的影響，如S0的積累可能關聯于電纜細菌的不完全硫氧化，這為微生物相互作用提供了線索。

 

電纜細菌密度數據：通過FISH測量（圖3中的陰影框），顯示電纜細菌在亞氧化區富集，密度達20-100 m cm^{-3}。研究意義在于將微生物豐度與地球化學過程直接關聯，支持電纜細菌作為e-SOx的介質。

電流密度和離子漂移數據：從堿度剖面推導（表1和表3），電流密度為25-32 mA m^{-2}，離子漂移影響了Ca2+和SO4^2-的通量。研究意義在于量化了e-SOx產生的電場效應，表明離子漂移可貢獻30%的溶質通量，這改變了傳統擴散主導的傳輸模型。

 

 

生產/消耗速率數據：通過PROFILE分析估計（圖6和表2），如DIC生產率為24-64 mmol m^{-2} d^{-1}。研究意義在于提供了e-SOx對有機質礦化貢獻的定量估計，顯示e-SOx可增強沉積物-水界面的通量。

 

 

 

這些數據整體表明，e-SOx在自然沉積物中是一個關鍵過程，通過調節pH和電場，重新分配了氧化還原反應，影響了碳埋藏和營養鹽循環。

 

得出的結論

論文得出結論：e-SOx在海岸沉積物中強烈調節生物地球化學循環。具體結論包括：

 

e-SOx通過電纜細菌介導的長距離電子傳輸，在沉積物中產生顯著的電流密度（~30 mA m^{-2}）和離子漂移效應。

它誘導了亞氧化區的擴展（達5厘米）和pH極值，促進了碳酸鹽和硫化鐵礦物的溶解。

e-SOx貢獻了約40%的擴散氧吸收（DOU），并增強了DIC、Fe2+和Mn2+的沉積物通量。

硫循環中，e-SOx導致元素硫（S0）的積累，表明可能存在不完全氧化路徑。

 

整體上，e-SOx減少了碳和硫的埋藏，增加了沉積物向水體的營養鹽釋放，對沿海生態系統有重要影響。

 

詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

論文中使用丹麥Unisense公司生產的微電極測量了O2、H2S和pH剖面，這些數據是識別e-SOx地球化學指紋的核心。具體測量意義如下：

 

O2微電極數據：測量了溶解氧的深度分布（圖3），顯示氧滲透深度（OPD）極淺（~2毫米），表明沉積物表面有高氧化消耗。結合擴散氧吸收（DOU）計算（表1），這些數據證實了e-SOx的陰極氧還原（COR）反應發生在界面附近，消耗了約40%的DOU。研究意義在于提供了e-SOx對氧循環貢獻的現場證據，強調了電纜細菌在氧化層中的主導作用，這不同于傳統化學氧化路徑。

 

H2S微電極數據：測量了總硫化物（∑H2S）的剖面（圖3），顯示硫化物在數厘米深度以下才出現，形成了明顯的亞氧化區。硫化物出現深度（SAD）與pH最小值深度一致，支持了e-SOx的陽極硫氧化（ASO）反應在深層發生。這些數據的意義在于揭示了“隱秘硫循環”，即硫化物在亞氧化區被快速氧化而不累積，這解釋了為什么e-SOx能維持高硫轉化率而不產生自由硫化物。

 

pH微電極數據：pH剖面（圖3）顯示了典型的e-SOx指紋：表層pH最大值（由COR的堿度釋放引起）和深層pH最小值（由ASO的質子釋放引起）。盡管表層pH峰值在某些月份不明顯，但酸性最小值（pH~6.4）是e-SOx的可靠指標。這些測量的意義在于量化了質子循環的空間分離，這直接驅動了礦物溶解（如碳酸鹽和FeS），從而影響碳和金屬循環。例如，pH極值促進了Ca2+和Fe2+的遷移，增加了沉積物通量。

 

總體而言，Unisense電極數據的研究意義在于：它們提供了高分辨率的現場證據，將微生物活動（電纜細菌）與地球化學變化直接鏈接，證實了e-SOx在自然環境中的重要性。這些測量不僅驗證了實驗室發現，還顯示了e-SOx對沿海沉積物碳循環和硫循環的放大效應，例如通過增強DIC通量，可能影響全球碳預算。此外，pH和O2數據的結合允許計算電流密度，突顯了電化學過程在早期成巖作用中的新興角色。