研究簡介:富營養化和藍藻水華主要是由過量營養物負荷引起的，尤其是磷（P）被認為是限制浮游植物生長的關鍵營養物質。沉積物細菌可以通過聚磷酸鹽積累微生物和與Fe氧化還原相關的微生物影響P的通量，主要是通過多磷酸鹽積累微生物和Fe氧化還原相關微生物。微生物活動可以增強沉積物中磷（P）的固定，但其背后的具體機制尚未完全明了。太湖是中國一個面臨富營養化問題的淡水湖，沉積物中的磷釋放是導致該問題持續存在的關鍵因素之一。鐵（Fe）和硫化物（S）的氧化還原形態被認為通過微生物作用影響沉積物和水之間的磷轉移。在富營養化的淺水湖泊中，當處于好氧環境時，多磷酸鹽積累微生物會將多余的P儲存在其細胞中，當環境變為厭氧時會釋放P；這些過程通常在海洋和寡營養湖泊中起著關鍵作用。沉積物具有高度的異質性，因此研究中對采集的沉積物樣本進行了混合和篩選，以減少這種異質性對實驗結果的影響。研究設計了三種處理條件（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技術來獲取溶解態和活性態的鐵、磷和硫化物的分布情況，這些技術能夠提供對沉積物中氧化還原敏感成分的準確測量。通過16S rRNA高通量測序技術，研究了不同處理條件下沉積物中細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化沉積物中，通過細菌氧化鐵或硫化物來增強磷保留的機制。

Unisense野外微電極研究系統的應用

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（Eh）。

實驗結果

研究表明滅菌降低了沉積物固定P的能力，微生物對P的固定關鍵沉積物深度層為0-10毫米。此外滅菌完全抑制了細菌活性，并顯著降低了細菌群落的多樣性。滅菌或接種顯著改變了細菌群落的結構，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氧化或硫氧化在細菌對沉積物中P的保留中起著重要作用。在接種滅菌后，細菌的保留P的能力顯著增強，盡管沒有恢復到原來的水平。這意味著細菌群在接種后能夠快速建立起負反饋調節的能力，一旦本地沉積物細菌的功能和結構受到嚴重破壞，盡管這需要進一步在野外驗證。

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表示在層內不同處理之間的Duncan事后檢驗結果，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、細菌群對沉積物中P保留的潛在機制（FeOB：Fe(II)氧化細菌；FeRB：Fe(III)還原細菌；SOB：硫化物氧化細菌；SRB：硫酸鹽還原細菌；紅色箭頭表示每個處理中P轉化的關鍵過程；%表示關鍵細菌屬的相對豐度）。

結論與展望

微生物活動可以增強沉積物中磷（P）的固定，但對其背后機制知之甚少。本研究從太湖中最富營養的梅梁灣取樣沉積物核，并在實驗室孵育實驗中設置了三種處理，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散梯度（DGT）技術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，這對于理解沉積物的垂直異質性及其對磷循環的影響至關重要。采用掃描電子顯微鏡和16S rRNA高通量測序技術調查了細菌群落。結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菌群落的結構。在微好氧或厭氧條件下的Fe或S氧化在細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Fe（II）氧化細菌（Acidovorax）和在未處理沉積物中的電生硫氧化細菌（Candidatus Electronema）被確定為負責沉積物中磷保留的關鍵細菌屬。