硫氧化与耗氧影响：阿萨巴斯卡油砂区首个油砂尾矿库试点湖泊Base Mine Lake的研究

本综述系统探讨了Base Mine Lake (BML)中硫氧化菌(SOB)的群落结构、代谢途径及其对溶解氧(DO)消耗的潜在影响。研究揭示了SOB通过cSox、rDSR和S4I等多条通路驱动硫循环，其代谢灵活性（兼性异养与自养）受溶解氧和有机碳动态调控。硫酸铝添加后形成的季节性缺氧区促进了厌氧硫氧化过程（以硝酸盐为电子受体），这对油砂尾矿库(OSPL)的生态修复具有重要指导意义。

　　

1 引言

Base Mine Lake (BML)作为阿萨巴斯卡油砂区(AOSR)首个油砂尾矿库(OSPL)试点湖泊，其水体溶解氧动态对生态系统重建至关重要。2016年9月全湖硫酸铝(alum)添加后，夏季分层期湖下层(hypolimnion)出现季节性缺氧区。硫循环如何影响该现象尚不明确。本研究通过7年追踪(2015-2021)，旨在解析硫氧化细菌(SOB)的群落功能及其耗氧风险。

2 方法

2.1 研究地点

BML位于Mildred Lake矿场(57.011553, -111.622203)，2021年时尾矿层厚40米，水帽层深12米。湖体呈双循环分层模式，夏季冬季均存在热分层。冰封期通常为11月至次年4月。三个采样点(P1/P2/P3)持续监测水体参数。

2.2 采样与理化分析

2015-2021年间完成32次采样，获取200份深度样本。使用YSI ProDSS多参数仪测定溶解氧(DO)、温度和pH值。硫物种(ΣH₂S、SO₄^2?、S₂O₃^2?、SO₃^2?)、氮物种(NO₃^?/NO₂^?)及总有机碳(TOC)均按标准流程检测。DNA样本通过0.2μm滤膜收集，使用QIAGEN试剂盒提取。

2.3 分子生物学分析

16S rRNA基因V4区通过515F/806R引物扩增，Illumina MiSeq测序。宏基因组组装采用MetaSPAdes和MEGAHIT，基因分箱通过MetaBAT2/MaxBin2/CONCOCT/VAMB完成。功能注释使用GTDB-Tk和HMMER数据库。

2.4 统计与富集实验

Welch t检验和冗余分析(RDA)在R语言中完成。硫氧化菌富集培养使用中性硫氧化培养基(NSOM)，添加硫代硫酸钠(31.6 mM)和四硫酸钾(16.5 mM)。

3 结果与讨论

3.1 SOB群落功能特征

16S rRNA测序获得14,712,302条高质量序列。宏基因组组装获得17个MAGs，分属9个属。BML的SOB群落具备完整硫氧化通路：

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  完全Sox通路(cSox: soxAXYZBCD)
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  不完全Sox通路(iSox: soxAXYZB)
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  反向亚硫酸盐还原酶通路(rDSR: dsrAB)
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  四硫酸盐中间体通路(S₄I: tsdA/doxD)
  值得注意的是，Sulfurimonas spp.仅含soxCD基因，可能仅将元素硫氧化为硫代硫酸盐/硫酸盐。

3.2 SOB时空动态

2015-2021年间SOB平均相对丰度为6.7%，最高达29%。S₄I通路菌株在所有氧浓度区间持续存在，cSox菌株在>100μM DO区富集，而iSox/rDSR菌株偏好低氧环境(<100μM DO)。硫酸铝添加后，湖下层SOB群落发生显著重组：

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  簇b.1(铝后湖下层)：以Methylovulum为主
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  簇b.2(全时期表水层)：Algoriphagus占主导
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  簇b.3(铝前湖下层)：Sulfuritalea和Sulfurimonas富集

3.3 环境驱动因子

RDA分析显示DO、温度、NO₂^?、NO₃^?和SO₄^2?是SOB群落关键驱动因子(累计解释39.4%变异)。硫酸盐浓度在铝添加后显著升高(2017年达1.89±0.10 mM)，2018年回落至1.53±0.07 mM。硝酸盐在2018年8月全水柱低于检测限，2019年后仅在湖下层消失。亚硝酸盐浓度自2016年(5.0±2.7μM)持续下降，2019年后未检出。

3.4 多样性演变

全群落Shannon多样性指数从2016年(4.4±0.2)显著降至2021年(2.4±0.9)。SOB多样性呈现更高波动性，与全群落仅呈弱相关(R²=0.34)。沿岸带采样点(SP/E16)多样性高于湖心，反映光照和氧合条件对微生物多样性的促进作用。

3.5 硫氧化通路转化

2017-2018年7-8月湖下层同时出现硝酸盐和硫代硫酸盐消耗，证实厌氧硫氧化存在。化计量分析表明硝酸盐消耗量超出完全反硝化理论值，提示部分反硝化中间产物积累。2018年硝酸盐缺失时，硫代硫酸盐出现累积，证明硝酸盐对硫氧化的关键作用。富集实验证实兼性异养SOB在碳限制时可切换至自养硫氧化模式。

3.6 生物地球化学耦合

铝添加引发级联效应：水体透明度增加→藻类增殖→可降解有机碳增加→好氧异养耗氧加剧→湖下层缺氧区扩张→硫酸盐还原菌(SRB)上行产生硫化氢→SOB以硝酸盐为电子受体氧化还原性硫物种。该过程可能抑制缺氧区进一步扩张，但微好氧硫氧化可能加剧氧消耗。

4 结论

BML中存在的动态SOB群落通过多通路协同驱动硫循环。其代谢灵活性（兼性异养/自养）受溶解氧和有机碳动态调控。铝添加后形成的季节性缺氧促进了厌氧硫氧化过程，这对OSPL的氧平衡管理具有双重意义：既可能通过清除还原性硫物种缓解耗氧风险，也可能通过自身耗氧加剧缺氧。后续需重点监测SOB电子受体利用策略对水体氧动态的长期影响。