导电细菌介导的流域水体沉积物空间隔离硫生物地球化学过程

Cable bacteria couple spatially biogeochemical processes will result in the redistribution of sulfur, which plays an important influence on the biogeochemical coupling process in the freshwater sediments. Nevertheless, basic information regarding systemic studies on cable bacteria couple spatially biogeochemical processes is limited at present. In this study, the profile of O2\∑H2S\pH\ electric potential will be investigated by microelectrode and and complex resistance methods in the sediments of typical basin (river, lake and wetland). A spatially isolated sulfur biogeochemical process driven by cable bacteria will be analysed by the the stoichiometry of this coupled dissolution-oxidation process. The FISH and 16S rRNA will be used to identify and quantify seasonal distribution characteristics of cable bacteria. The structural analysis of cable bacteria will be analyzed by scanning electron microscopy, atomic Force Microscopy and transmission Electron Microscopy. Moreover, study on the characteristics and driving mechanism of the electron transport of cable bacteria in the freshwater sediment will be investigated by electrostatic Force Microscopy and nanofabricated electrodes. Cable bacteria couple spatially biogeochemical processes in freshwater sediments adds a new dimension to our understanding of biogeochemistry.

导电细菌介导的生物地球化学过程会引起硫元素的重新分配，对于淡水沉积物元素生物地球化学耦合过程具有重要影响，目前国际上这方面研究较薄弱。本项目选择典型流域水体（河流、湖泊、湿地）沉积物为研究对象，采用微电极、复电阻等地球物理原位测量技术，分析沉积物剖面O2\∑H2S\pH\电位等分布特征及影响因素，采用溶解-氧化的化学计量学方法，研究导电细菌驱动的长距离电子传递导致的空间隔离的硫生物地球化学过程。采用荧光原位杂交技术（FISH）、扫描电镜（SEM）、原子力显微镜分析（AFM）和16S rRNA基因测序等技术，研究流域水体沉积物中导电细菌丰度、形态等季节性分布特征及影响因素，解析不同类型水体沉积物差异分布的主要原因；采用静电力显微镜（EFM）和纳米电极电流测定等技术，探索淡水沉积物中导电细菌的跨距离电子传递特征及其驱动机制。本研究研究成果将增加了一个新的层面来理解淡水沉积物中生物地球化学过程。

电缆细菌介导的生物地球化学过程会引起硫元素的重新分配，在硫元素的生物地球化学过程中起到重要的作用，尤其对于淡水沉积物元素生物地球化学耦合过程具有重要影响，目前国际上这方面的研究较薄弱。通过构建室内沉积物-水界面模拟系统，结合微电极技术、16S rRNA和原位荧光杂交技术（FISH）验证了我国淡水沉积物中电缆细菌的存在。在此基础上，以沙河沉积物为研究对象，开展了电缆细菌的活性特征及季节性变化研究，探讨了培养时间和季节变化对电缆细菌的剖面分布特征的影响，分析了沉积物中硫的空间分异规律。同时，针对电缆细菌形成的铁氧保护层的隔离作用，利用DGT技术研究电缆细菌介导的磷循环过程及其影响因素，分析沉积物-水系统中铁、磷、硫迁移、转化机理。.研究发现电缆细菌存在于我国淡水沉积物中，通过淡水沉积物通过实验室培养，pH值、电流值和∑H2S浓度变化表明在沉积物剖面垂向上发生了阳极和阴极之间的电子转移；培养11d以后和∑H2S在7-8mm深度厌氧区的顶端发生明显增加，在15mm处增加到15μM，然后保持稳定。pH值在水-沉积物界面以下2mm处出现了明显的峰值，主要是阴极氧还原过程中的质子消耗 (O2 + 4e- + 4H+→2H2O)，由于硫化物氧化产生质子，朝下沉积物pH降低(H2S + 4H2O → SO42- + 10H+ + 8e-)。通过荧光原位杂交技术和16SrRNA基因序列测试结果表明，野外和室内培养体系中发现了导电细菌形态的长丝状细菌存在，这些微生物是独立于已知海洋沉积物中发现的导电细菌的一个姊妹属，一种新淡水电缆细菌的菌属，与脱硫球茎菌科（Desulfobulbaceae）具有较近的亲缘关系。项目成果预期可为水体沉积物总磷释放控制、农田土壤修复等提供基础支撑。