研究簡(jiǎn)介:光合作用是地球上生命存在和生物地球化學(xué)循環(huán)的基礎過(guò)程之一，它在河流系統中對碳和氮的循環(huán)具有顯著(zhù)影響。在海洋環(huán)境中，光合作用主要由浮游微藻進(jìn)行，而在河流中，沉積物表面的微生物墊和附著(zhù)在石頭上的生物膜也扮演著(zhù)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(yíng)養物的高可用性。微生物墊中的光合微生物不僅為河流生態(tài)系統提供有機碳和氧氣，還接收來(lái)自上覆水體的有機碳和營(yíng)養物。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(guò)程表現出垂直分帶現象。微電極技術(shù)的應用使得科學(xué)家能夠以高空間分辨率研究這種微區域化現象，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(guò)程。河流系統中的光合作用導致沉積物中氧氣和有機碳濃度的增加，進(jìn)而影響沉積物中的微生物過(guò)程。盡管光合作用區的厚度通常小于1毫米，但由于光的穿透性有限，該區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(huì )影響藍細菌墊中的光合活動(dòng)。河流流經(jīng)城市地區時(shí)，會(huì )接收到來(lái)自周邊土地的人為輸入，如有機碳、氮和磷等營(yíng)養物質(zhì)。在河口區域，由于潮汐的影響，物理和化學(xué)因素（如陽(yáng)光、有機碳和營(yíng)養物的濃度、流速和鹽度）會(huì )發(fā)生多種變化，這些變化以及養分的滯留可能會(huì )影響沉積物中的微生物光合作用和其他微生物過(guò)程。因此，與非潮汐區相比，潮汐區沉積物中的微生物過(guò)程可能在空間和時(shí)間上表現出更大的動(dòng)態(tài)變化。

本研究聚焦于日本八戶(hù)市新田河潮汐區沉積物中的凈光合作用活動(dòng)，并探討了光強度對微生物過(guò)程微區域化的影響。使用微電極進(jìn)行了沉積物中O2、NH4+、NO2、H2S和pH濃度剖面的實(shí)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(guò)程，并評估了河水質(zhì)量和沉積物的環(huán)境條件。

Unisense微電極測定系統的應用

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(shí)間。采用標準方法對上述微電極進(jìn)行校正。為了實(shí)現微電極測量，構建了一個(gè)流動(dòng)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(guò)程中，以平均流速2厘米/秒向反應器供應5.0升的介質(zhì)。光強度可以根據實(shí)驗需要進(jìn)行調整，以模擬不同的光照條件。微電極安裝在電動(dòng)微操作器上，以實(shí)現精確的定位。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(jìn)入沉積物。并且使用顯微鏡確定微生物墊的表面，實(shí)驗過(guò)程中使用鹵素燈提供所需的光照。

實(shí)驗結果

通過(guò)微電極技術(shù)在日本八戶(hù)市新田河潮汐區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(zhù)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(wú)氧微生物過(guò)程的位置和活動(dòng)可能隨著(zhù)太陽(yáng)光強度的周期性波動(dòng)而波動(dòng)。

圖1、顯示了日本八戶(hù)市新井田河中采樣點(diǎn)（點(diǎn)1和點(diǎn)2）的地圖。

圖2、在點(diǎn)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。右邊邊緣的數字表示O2濃度。通過(guò)顯微觀(guān)察確定的微生物墊表面用一條線(xiàn)表示。微生物墊和沉積物分別用灰色區域和虛線(xiàn)區域表示。

圖3、在點(diǎn)1的沉積物中的O2、NH4+、NO2、H2S和pH的平均穩態(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域和虛線(xiàn)區域表示。

圖4、在點(diǎn)1的沉積物中的平均穩態(tài)O2濃度剖面（開(kāi)放圓圈）和計算得到的凈氧產(chǎn)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(chǎn)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域和虛線(xiàn)區域表示。

圖5、在點(diǎn)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(kāi)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(chǎn)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域和虛線(xiàn)區域表示。

結論與展望

本研究調查了日本八戶(hù)市新田河潮汐區沉積物表層內的光合作用速率及其受光照調節的情況。unisense微電極系統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(xué)成分，這包括氧氣（O2）、氨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硫化氫（H2S）和pH值等關(guān)鍵參數。在沉積物中發(fā)現了氧氣呼吸、反硝化和硫酸鹽還原的微區化。當光照強度超過(guò)1050毫摩爾光子/平方米/秒時(shí)，在潮汐區沉積物表面微生物墊上0.5毫米處檢測到凈光合活動(dòng)。相反，在1900毫摩爾光子/平方米/秒時(shí)，在微生物墊上1.0毫米處檢測到總光合活動(dòng)。隨著(zhù)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(shí)，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(shí)和2.2毫米。潮汐區微生物墊中的凈光合速率低于上游沉積物。通過(guò)人工光暗周期期間對微生物墊不同層中連續氧氣濃度測量的分析表明，對光照強度變化的光合活動(dòng)響應非?？欤◣酌耄?，微生物墊中的氧氣濃度在200秒內變得穩定。對河水中的物理和化學(xué)參數進(jìn)行的測量顯示，研究地點(diǎn)相對污染，陽(yáng)光強度在時(shí)間上明顯波動(dòng)。這些結果表明，沉積物中發(fā)生的原位微生物過(guò)程隨著(zhù)陽(yáng)光強度周期性波動(dòng)而波動(dòng)。微電極系統在本研究中是實(shí)現精確測量和深入理解沉積物中微生物過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，它為評估環(huán)境因素對河流生態(tài)系統中微生物活動(dòng)的影響提供了重要的實(shí)驗數據和見(jiàn)解。