研究简介:富营养化和蓝藻水华主要是由过量营养物负荷引起的，尤其是磷（P）被认为是限制浮游植物生长的关键营养物质。凯发k8国际细菌可以通过聚磷酸盐积累微生物和与Fe氧化还原相关的微生物影响P的通量，主要是通过多磷酸盐积累微生物和Fe氧化还原相关微生物。微生物活动可以增强凯发k8国际中磷（P）的固定，但其背后的具体机制尚未完全明了。太湖是中国一个面临富营养化问题的淡水湖，凯发k8国际中的磷释放是导致该问题持续存在的关键因素之一。铁（Fe）和硫化物（S）的氧化还原形态被认为通过微生物作用影响凯发k8国际和水之间的磷转移。在富营养化的浅水湖泊中，当处于好氧环境时，多磷酸盐积累微生物会将多余的P储存在其细胞中，当环境变为厌氧时会释放P；这些过程通常在海洋和寡营养湖泊中起着关键作用。凯发k8国际具有高度的异质性，因此研究中对采集的凯发k8国际样本进行了混合和筛选，以减少这种异质性对实验结果的影响。研究设计了三种处理条件（未处理、接种、灭菌）来研究微生物对凯发k8国际中磷固定能力的影响。使用了高分辨率透析和DGT技术来获取溶解态和活性态的铁、磷和硫化物的分布情况，这些技术能够提供对凯发k8国际中氧化还原敏感成分的准确测量。通过16S rRNA高通量测序技术，研究了不同处理条件下凯发k8国际中细菌群落的丰度和组成。本研究主要探讨在太湖梅梁湾的富营养化凯发k8国际中，通过细菌氧化铁或硫化物来增强磷保留的机制。


Unisense野外微电极研究系统的应用


Unisense微电极被用来测量凯发k8国际-水界面（SWI）处的溶解氧（DO）和氧化还原电位（Eh）。使用微电极（OX-100和RD-100，Unisense，丹麦）测量了SWI处的溶解氧（DO）和氧化还原状态（Eh）。


实验结果


研究表明灭菌降低了凯发k8国际固定P的能力，微生物对P的固定关键凯发k8国际深度层为0-10毫米。此外灭菌完全抑制了细菌活性，并显著降低了细菌群落的多样性。灭菌或接种显著改变了细菌群落的结构，其中，绿弯菌门、变形菌门和拟杆菌门在非处理、接种和灭菌凯发k8国际中最为主要。在这项研究中，微好氧或厌氧条件下的Fe氧化或硫氧化在细菌对凯发k8国际中P的保留中起着重要作用。在接种灭菌后，细菌的保留P的能力显著增强，尽管没有恢复到原来的水平。这意味着细菌群在接种后能够快速建立起负反馈调节的能力，一旦本地凯发k8国际细菌的功能和结构受到严重破坏，尽管这需要进一步在野外验证。

图1、不同处理凯发k8国际中DGT可溶性和溶解态磷/铁的浓度，水体和凯发k8国际界面处浓度的垂直分布（左），三个深度层的平均浓度（右；a、b和c表示在层内不同处理之间的Duncan事后检验结果，显著性水平为0.05）。

图2、凯发k8国际芯的溶解氧（DO）和氧化还原电位（Eh）的垂直分布。

图3、凯发k8国际芯中DGT可溶性硫化物的二维浓度分布图像。

图4、扫描电子显微镜图像（左），表面凯发k8国际的CH4和CO2通量以及细菌群的Shannon多样性（右）（Ntr：非处理凯发k8国际芯；Ino：接种凯发k8国际芯；Ste：灭菌凯发k8国际芯）。

图5、细菌群对凯发k8国际中P保留的潜在机制（FeOB：Fe(II)氧化细菌；FeRB：Fe(III)还原细菌；SOB：硫化物氧化细菌；SRB：硫酸盐还原细菌；红色箭头表示每个处理中P转化的关键过程；%表示关键细菌属的相对丰度）。


结论与展望


微生物活动可以增强凯发k8国际中磷（P）的固定，但对其背后机制知之甚少。本研究从太湖中最富营养的梅梁湾取样凯发k8国际核，并在实验室孵育实验中设置了三种处理，包括（a）未处理的凯发k8国际核，（b）接种，和（c）灭菌。采用高分辨率透析和薄膜中的扩散梯度（DGT）技术分别获取了溶解的和活性的铁（Fe）和磷（P）。采用基于AgI的DGT技术测量了活性硫化物的二维分布。Unisense微电极被用来测量凯发k8国际-水界面（SWI）处的溶解氧（DO）和氧化还原电位（Eh）。通过在不同深度使用微电极，研究者能够评估凯发k8国际中不同层次的氧化还原状态，这对于理解凯发k8国际的垂直异质性及其对磷循环的影响至关重要。采用扫描电子显微镜和16S rRNA高通量测序技术调查了细菌群落。结果显示灭菌减少了凯发k8国际固定磷的能力，并且微生物磷固定的关键凯发k8国际深度层为0-10毫米。此外，灭菌或接种显著改变了细菌群落的结构。在微好氧或厌氧条件下的Fe或S氧化在细菌保留凯发k8国际中的磷中起着重要作用。在接种凯发k8国际中的硝酸盐还原偶联Fe（II）氧化细菌（Acidovorax）和在未处理凯发k8国际中的电生硫氧化细菌（Candidatus Electronema）被确定为负责凯发k8国际中磷保留的关键细菌属。