研究簡介:光合作用是地球上生命存在和生物地球化學循環(huán)的基礎過程之一，它在河流系統(tǒng)中對碳和氮的循環(huán)具有顯著影響。在海洋環(huán)境中，光合作用主要由浮游微藻進行，而在河流中，沉積物表面的微生物墊和附著在石頭上的生物膜也扮演著重要角色。這些微生物墊是密集的微生物群落，具有高代謝速率，這得益于微生物群落的密集性和有機碳及營養(yǎng)物的高可用性。微生物墊中的光合微生物不僅為河流生態(tài)系統(tǒng)提供有機碳和氧氣，還接收來自上覆水體的有機碳和營養(yǎng)物。盡管微生物墊的厚度通常只有幾毫米，但微生物墊內的微生物過程表現(xiàn)出垂直分帶現(xiàn)象。微電極技術的應用使得科學家能夠以高空間分辨率研究這種微區(qū)域化現(xiàn)象，并揭示了微生物墊中氧氣呼吸、硝化作用和硫酸鹽還原等過程。河流系統(tǒng)中的光合作用導致沉積物中氧氣和有機碳濃度的增加，進而影響沉積物中的微生物過程。盡管光合作用區(qū)的厚度通常小于1毫米，但由于光的穿透性有限，該區(qū)域的光合速率非常高。微電極測量顯示，在藍細菌墊和天然生物膜中存在高光合速率。此外，光、氧氣濃度和溫度等因素都會影響藍細菌墊中的光合活動。河流流經城市地區(qū)時，會接收到來自周邊土地的人為輸入，如有機碳、氮和磷等營養(yǎng)物質。在河口區(qū)域，由于潮汐的影響，物理和化學因素（如陽光、有機碳和營養(yǎng)物的濃度、流速和鹽度）會發(fā)生多種變化，這些變化以及養(yǎng)分的滯留可能會影響沉積物中的微生物光合作用和其他微生物過程。因此，與非潮汐區(qū)相比，潮汐區(qū)沉積物中的微生物過程可能在空間和時間上表現(xiàn)出更大的動態(tài)變化。

本研究聚焦于日本八戶市新田河潮汐區(qū)沉積物中的凈光合作用活動，并探討了光強度對微生物過程微區(qū)域化的影響。使用微電極進行了沉積物中O2、NH4+、NO2、H2S和pH濃度剖面的實驗室測量，以及凈光合速率和總光合速率的測量，究了這些環(huán)境因素如何影響沉積物中的微生物過程，并評估了河水質量和沉積物的環(huán)境條件。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應用

使用不同型號的unisense微電極，包括氧氣（O2）、氨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硫化氫（H2S）和pH的微電極。其中氧氣微電極是克拉克型微電極，具有約15微米的尖端直徑和小于0.5秒的90%響應時間。采用標準方法對上述微電極進行校正。為了實現(xiàn)微電極測量，構建了一個流動電池反應器，尺寸為60(L)×10(W)×5(H)厘米。沉積物樣品被放置在反應器中，微生物墊表面與反應器底部對齊。在測量過程中，以平均流速2厘米/秒向反應器供應5.0升的介質。光強度可以根據實驗需要進行調整，以模擬不同的光照條件。微電極安裝在電動微操作器上，以實現(xiàn)精確的定位。以0.05-0.3毫米的間隔記錄了沉積物中的濃度剖面，從液體進入沉積物。并且使用顯微鏡確定微生物墊的表面，實驗過程中使用鹵素燈提供所需的光照。

實驗結果

通過微電極技術在日本八戶市新田河潮汐區(qū)的沉積物中以高空間分辨率確定了光合作用活性。光合作用發(fā)生在沉積物的上0.5毫米中。微電極測量表明，在沉積物的上5毫米中存在垂直的氧呼吸、硝化和SO4 2-還原的微分帶。隨著光強度的增加，沉積物中的凈光合作用率和氧氣滲透深度增加。因此，沉積物中發(fā)生的無氧微生物過程的位置和活動可能隨著太陽光強度的周期性波動而波動。

圖1、顯示了日本八戶市新井田河中采樣點（點1和點2）的地圖。

圖2、在點1的沉積物中的垂直截面中O2濃度的代表性二維等值圖。O2濃度是在10 mmol-photons/m2/s的光強度下測量的。右邊邊緣的數(shù)字表示O2濃度。通過顯微觀察確定的微生物墊表面用一條線表示。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

圖3、在點1的沉積物中的O2、NH4+、NO2、H2S和pH的平均穩(wěn)態(tài)濃度剖面。O2濃度是在10 mmol-photons/m2/s的光強度下測量的。誤差條代表測量的標準偏差。微生物墊表面在深度為0毫米處。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

圖4、在點1的沉積物中的平均穩(wěn)態(tài)O2濃度剖面（開放圓圈）和計算得到的凈氧產生和消耗速率（柱狀圖）。O2濃度是在10（A）、400（B）、1050（C）、1550（D）和1900（E）mmol photons/m2/s的光強度下測量的。誤差條代表測量的標準偏差。正值和負值分別表示氧氣產生和消耗速率。微生物墊表面在深度為0毫米處。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

圖5、在點1的沉積物中的平均總光合速率（填充圓圈）和計算得到的O2呼吸速率（開放圓圈）的剖面，在1900 mmol photons/m2/s的光強度下。誤差條代表測量的標準偏差。正值和負值分別表示O2產生和O2呼吸速率。微生物墊表面在深度為0毫米處。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

結論與展望

本研究調查了日本八戶市新田河潮汐區(qū)沉積物表層內的光合作用速率及其受光照調節(jié)的情況。unisense微電極系統(tǒng)允許研究人員以極高的空間分辨率（毫米級甚至更細）測量沉積物中的化學成分，這包括氧氣（O2）、氨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硫化氫（H2S）和pH值等關鍵參數(shù)。在沉積物中發(fā)現(xiàn)了氧氣呼吸、反硝化和硫酸鹽還原的微區(qū)化。當光照強度超過1050毫摩爾光子/平方米/秒時，在潮汐區(qū)沉積物表面微生物墊上0.5毫米處檢測到凈光合活動。相反，在1900毫摩爾光子/平方米/秒時，在微生物墊上1.0毫米處檢測到總光合活動。隨著光照強度的增加，凈光合速率和氧氣滲透深度增加。在1900毫摩爾光子/平方米/秒時，最大凈光合速率和氧氣滲透深度分別為6.1毫摩爾O2/立方厘米/小時和2.2毫米。潮汐區(qū)微生物墊中的凈光合速率低于上游沉積物。通過人工光暗周期期間對微生物墊不同層中連續(xù)氧氣濃度測量的分析表明，對光照強度變化的光合活動響應非?？欤◣酌耄⑸飰|中的氧氣濃度在200秒內變得穩(wěn)定。對河水中的物理和化學參數(shù)進行的測量顯示，研究地點相對污染，陽光強度在時間上明顯波動。這些結果表明，沉積物中發(fā)生的原位微生物過程隨著陽光強度周期性波動而波動。微電極系統(tǒng)在本研究中是實現(xiàn)精確測量和深入理解沉積物中微生物過程的關鍵技術，它為評估環(huán)境因素對河流生態(tài)系統(tǒng)中微生物活動的影響提供了重要的實驗數(shù)據和見解。