鳟鱼沼湖泊电活性浮游细菌驱动的溶解有机质氧化还原循环及其对甲烷排放的调控机制

这篇研究揭示了电活性浮游细菌通过光养电营养（electrotrophic）和异养电生成（electrogenic）代谢，驱动溶解有机质（DOM）在氧化（DOM+）与还原（DOM?）状态间的循环。研究结合宏基因组学、电化学和生理化学分析，证实了绿硫菌（Chlorobium）与地丝菌（Geothrix）通过胞外电子传递（EET）形成昼夜和季节性氧化还原波动，显著抑制了湖泊缺氧层的甲烷生成，为理解淡水生态系统碳循环提供了新视角。

　　

隐秘的电子循环：电活性浮游细菌如何重塑湖泊碳流动

阳光驱动的氧化作用与绿硫菌的生态位

在威斯康星州的鳟鱼沼湖泊（Trout Bog Lake）中，绿硫菌（Chlorobium spp.）的昼夜活动成为氧化还原动态的核心。研究团队通过高分辨率垂直剖面分析发现，在2米深度——恰好位于氧跃层下方——氧化还原电位（ORP）呈现显著的昼夜波动。光照触发后2-3小时内，ORP迅速上升，与绿硫菌的丰度峰值高度吻合。这些光合细菌通过氧化型胞外电子传递（oxiEET）代谢，利用醌类结构的溶解有机质（DOM）作为电子供体，将CO₂固定为生物质，同时生成氧化态DOM（DOM⁺）。夜间，异养电生成菌（如Geothrix）则通过还原型EET（redEET）将DOM⁺重新转化为还原态，形成闭环电子循环。

季节性氧化：挑战传统缺氧层理论

与传统认知不同，鳟鱼沼湖泊的缺氧层（hypolimnion）在夏季呈现持续的氧化趋势。2018-2021年数据显示，2-6米深度的ORP平均上升110-166 mV。这一现象与DOM的电子交换容量（高达20 mg C/L）密切相关，其贡献远超铁、硫等无机化合物。宏基因组分析揭示，电活性菌群（如Rhodoferax、Ferrovaceae）在深水区富集，通过多基因冗余的EET通路维持代谢活性，逐步氧化困在缺氧层的有机质。这种“隐秘循环”有效截留了本应转化为甲烷的小分子有机酸（如乙酸），重塑了碳流动路径。

微生物电极：捕捉电子流动的生物传感器

研究团队设计的“微幽灵浮标”（Microghost Buoy）通过非极化电极对实时监测电子流。结果显示，2.5米深度的电极电流与光照强度呈负相关——阳光越强，绿硫菌的oxiEET活性越高，电极获取的电子流越少。有趣的是，某些电极对的电流方向与预期相反，暗示深水区存在未知的电营养菌（如Magnetospirillaceae）可能以CO₂为终端电子受体。电极生物膜的宏基因组进一步证实，阳极富集Geothrix等电生成菌，而阴极则以含oxiEET基因的菌群为主。

生态级联效应：从电子传递到甲烷抑制

电活性DOM的持续再生为湖泊缺氧层创造了独特的“氧化庇护所”。绿硫菌的光养电营养与电生成菌的协同作用，使得发酵产物（如乙酸）被优先用于厌氧呼吸而非产甲烷过程。这种机制在夏季逐渐扩大影响范围，形成从表层到底泥的氧化梯度。研究推测，若缺乏此类电子循环，初级生产产生的易发酵有机物将直接滋养产甲烷菌，显著提升温室气体排放。

全球启示：电活性DOM的生态杠杆

鳟鱼沼湖泊的案例揭示了电活性DOM在淡水生态系统中的核心地位。富含醌类结构的DOM（源于泥炭藓Sphagnum）不仅作为电子穿梭体，更通过调控菌群代谢网络间接影响全球碳循环。该研究为理解湖泊甲烷排放的微生物控制机制提供了新范式，并暗示类似过程可能广泛存在于富含DOM的淡水环境中。未来研究可进一步探索EET通路工程在温室气体减排中的应用潜力。