電纜細(xì)菌將缺氧沉積物中溶解的硫化物(H 2 S)的氧化與氧氣(O 2)或表面沉積物中硝酸鹽的還原結(jié)合起來，這一過程稱為電硫氧化。在活躍的電纜細(xì)菌棲息的沉積物中，電子通過其導(dǎo)電周質(zhì)纖維傳輸幾厘米的距離，從而允許電子受體和電子供體在空間分離的區(qū)域中相互作用。在季節(jié)性缺氧的格雷維林根湖（荷蘭）中，電纜細(xì)菌刺激表層沉積物中鐵（或錳）氧化物的產(chǎn)生，從而減少了e-SOx活動期間底棲磷酸鹽的釋放，以及缺氧期間底棲硫化物的釋放。電纜細(xì)菌是海洋沉積物、咸水沉積物和淡水沉積物中的一種普遍現(xiàn)象。最近的一項研究表明，淡水河流系統(tǒng)中電纜細(xì)菌的物種豐富度和分布與水質(zhì)密切相關(guān)，這意味著水質(zhì)惡化的河流可能是電纜細(xì)菌的“熱點”。研究人員應(yīng)用實驗室孵化實驗來評估富營養(yǎng)化淡水河沉積物中的電纜細(xì)菌對Fe、Mn和P沉積動力學(xué)的影響。pH、O 2的高分辨率深度分析ΣH 2 S用于跟蹤潛伏期內(nèi)e-SOx活性的時間變化。

通過熒光顯微鏡觀察和高通量基因測序確定電纜細(xì)菌的種群動態(tài)及其在沉積物中的垂直分布。新型沉積DGT技術(shù)與傳統(tǒng)連續(xù)萃取方法相結(jié)合，用于研究沉積物中Fe、Mn和P的形態(tài)和深度剖面。相關(guān)研究結(jié)果表明，電纜細(xì)菌刺激淡水沉積物中的沉積磷保留，并且這種捕獲機制在其活性下降后仍然活躍，這表明它們可以幫助減少富營養(yǎng)化河流的河流磷負(fù)荷。

丹麥Unisense微電極研究系統(tǒng)應(yīng)用

使用unisense微剖面分析系統(tǒng)（測量潛伏期內(nèi)pH、O2和∑H2S的高分辨率深度分布。首先對所有三個電極進行校準(zhǔn)。O2、H2S和pH測量的微傳感器尖端尺寸分別為50μm、100μm和200μm。為了校準(zhǔn)氧傳感器，使用了兩個標(biāo)準(zhǔn)參考點:100%含氧完全飽和的自來水和無氧沉積物(0%含氧)。為了校準(zhǔn)H2S傳感器，使用濃度從0到20μM的硫化鋅溶液建立了四點標(biāo)準(zhǔn)曲線。pH傳感器的校準(zhǔn)使用NIST認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，pH值為4.0,7.0和10.0總孔隙水硫化物（∑H2S=[HS]+[HS?]+[S2?]）使用Jeroshewski等人提出的方法計算。使用pH、O2和∑H2S微傳感器剖面來估計低氧區(qū)寬度、擴散O2吸收（DOU）、陰極O2消耗（COC）速率和電流密度。

實驗結(jié)果：e-SO x可以調(diào)節(jié)咸水和海洋沉積物中磷（P）的沉積釋放。當(dāng)e-SO x活躍時，沉積物表面附近會形成富含鐵(Fe)和錳(Mn)的氧化物層，從而阻止磷的釋放。當(dāng)e-SO x變得不活躍時，金屬氧化物層通過硫化物介導(dǎo)的溶解被還原，隨后P被釋放到水柱中。電纜細(xì)菌已被證明也存在于淡水沉積物中。在這些沉積物中，硫化物的產(chǎn)生是有限的，因此金屬氧化物層的溶解效率較低，使得磷被困在沉積物表面。電纜細(xì)菌的活動引起低氧區(qū)的強烈酸化，導(dǎo)致鐵和錳礦物的溶解，從而將溶解的鐵2+和Mn 2+強烈釋放到孔隙水中。這些移動離子在沉積物表面的氧化導(dǎo)致形成金屬氧化物層，捕獲溶解的磷，如沉積物頂層含磷金屬氧化物的富集以及孔隙和上覆水中的低磷酸鹽。e-SO x活性下降后，金屬氧化物層不溶解，P仍被捕獲在表面。電纜細(xì)菌刺激淡水沉積物中的沉積磷保留，并且這種捕獲機制在其活性下降后仍然活躍，這表明它們可以幫助減少富營養(yǎng)化河流的河流磷負(fù)荷。

圖1、在培養(yǎng)過程中，充氣處理（a）和對照處理（b）中O2、pH和∑H2S深度分布的時間變化。在整個培養(yǎng)過程中，SAD逐漸增加，產(chǎn)生一個明顯的低氧區(qū)，其中O2和∑H2S無法檢測到。在第20天，沉積物頂層的pH值出現(xiàn)明顯峰值，同時較深沉積物的pH值大幅下降。而在缺氧對照處理中，在整個培養(yǎng)期內(nèi)沒有觀察到低氧區(qū)和典型的電纜細(xì)菌活性的pH指紋。

圖2、在充氣處理的潛伏期內(nèi)，好氧區(qū)（橙色）、缺氧帶（淺灰色）和硫化物區(qū)（深灰色）發(fā)育的時間變化。

圖3、通過FISH（a）和16S rRNA基因測序（b）量化的有線細(xì)菌深度分布的時間變化及其在毒性處理中的豐度，以及孵育30天后1.0-1.5 cm沉積物間隔的電纜細(xì)菌絲的SEM圖像（c）。

圖4、培養(yǎng)過程中Fe2+（藍色）、Mn2+（紅色）和PO43–（綠色）DGT通量的時間變化。

圖5、有氧培養(yǎng)巖心中沉積FeS（a）、Fe氧化物（b）、Mn氧化物（c）、鐵結(jié)合P（d）和可交換P（e）深度剖面的時間變化。對照核心（第75天）繪制在右側(cè)以供參考。

總結(jié)：沉積物的內(nèi)部磷負(fù)荷被認(rèn)為是主要的淡水系統(tǒng)富營養(yǎng)化和底層水缺氧的原因，尤其是在有著悠久歷史的淺水環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷.沉積磷動力學(xué)受有機物有效性控制以及Fe或Mn的氧化還原化學(xué)，這反過來又由底層水中的氧氣水平.在缺氧條件下，通過含磷鐵和錳氧化物的還原溶解，以及優(yōu)先有機物生成磷。而在毒性條件下，P通常是被不穩(wěn)定的鐵和錳氧化物螯合，在某些情況下通過表層沉積物中的Mn（II）磷酸鹽，從而減少海底生物P發(fā)布。我們的結(jié)果證明電纜細(xì)菌的活性可以強烈控制內(nèi)部富營養(yǎng)化淡水沉積物中的磷動力學(xué)。這與一致以前在半咸水和海洋沉積物中觀察到的。然而，由于結(jié)合P的鐵氧化物在淡水系統(tǒng)中的溶解效率較低，電纜細(xì)菌引起的海底磷釋放減少可能在與海洋系統(tǒng)相比，時間尺度更長。

在本研究中P（Fe結(jié)合的P和可交換的P的總和）的保留增加由于電纜細(xì)菌活性與初始孵育階段（第3天）的比較（表2）。如果所有表面沉積物中額外保留的P被釋放將導(dǎo)致在靜態(tài)條件下水體中磷含量增加~5 mg/L水交換。這意味著電纜細(xì)菌可能發(fā)揮重要作用在富營養(yǎng)化淡水環(huán)境中調(diào)節(jié)內(nèi)部磷釋放的作用。然而，這項研究的發(fā)現(xiàn)是基于一個單一的在特定條件下進行的實驗室培養(yǎng)實驗。這些影響將在富營養(yǎng)化淺水區(qū)發(fā)生的程度自然條件下的淡水系統(tǒng)還沒有完全了解。此外，這些結(jié)論是否可以推廣還不確定到具有不同生物地球化學(xué)性質(zhì)的其他類型的淡水系統(tǒng)特點。因此，有必要對在現(xiàn)實的現(xiàn)場條件下獲得各種類型的沉積物深入了解電纜細(xì)菌在控制中的確切作用富營養(yǎng)化淡水系統(tǒng)中磷的內(nèi)部釋放。