创新背景

在沿海地区浅层海底，由于陆上社会活动和大规模水产养殖等高浓度有机物的流入，污染物可能会沉积，导致海底环境恶化。为了改善海底环境，有一种方法可以去除沉积物，如挖泥工程，但很难清除所有沉积物。不仅清除的沉积物的处置，而且沿海水域生态系统和物质循环的恢复也需要时间。

沉积在海底的有机层，除了与海水接触的上层的一小部分外，氧气都枯竭了，因此，厌氧微生物在分解中起着重要的作用。然而，厌氧微生物的实体和厌氧生态系统的功能恢复机制尚未阐明。

创新过程

本研究通过在分解功能下降的海底沉积物中加入硝酸盐，在硫氧化细菌和硫酸还原细菌之间通过碳源的传递形成合作关系，并揭示了由此产生的各种厌氧分解微生物的活化。

在沉积物样品中加入碳酸氢盐标记在硝酸盐和普通碳12C（原子量12）的稳定同位素13C（原子量13），可促进厌氧微生物的生长，沉积物样品被厌氧地站立。

在培养的第4天，研究人员同时观察到硝酸离子的消失和N2O的生成（脱硝反应），硫酸根离子的生成（硫氧化反应）和13CO2的减少（CO2固定反应）。如果不添加硝酸盐，则未能观察到这些反应。

对从培养物4、9和14天的沉积样品中提取的微生物进行RNA分析，发现33种微生物从碳酸氢盐中提取稳定的碳同位素13C。其中，在培养4天中代谢活性特别高的是硫酸还原细菌，负责硫氧化细菌和硫酸还原反应，负责硫氧化反应与脱硫反应成对。硫氧化细菌具有化学合成独立营养（CO2固定能力），利用CO2作为合成自身生物成分所需的碳源，而硫酸还原细菌具有从属营养，需要有机物才能自身生长。在沉积物中，存在各种从属营养微生物，这些微生物可以使用含有硫氧化细菌合成的13C的有机物，但硫酸还原细菌除外，未捕获13C。 这些结果表明，硫氧化细菌在沉积物中首先通过固定13CO2生长，然后含有13C的有机物被硫氧化细菌固定，然后分解为硫酸还原细菌。

此外，当添加硝酸盐时，甲烷产生的旧细菌和有机酸氧化共生细菌的代谢活化负责厌氧有机物分解的最后阶段，在培养的第21天观察到。这表明，停滞的物质分解在添加硝酸盐的沉积物中恢复，厌氧生态系统功能恢复。这些厌氧微生物被激活，未观察到13C的吸收。因此，这种活化被认为是硫氧化细菌和硫酸还原细菌之间形成合作关系的结果。

本研究结果表明，海底沉积物中硫氧化细菌和硫酸还原细菌通过碳传递的合作关系，以及由此产生的各种厌氧微生物的代谢激活，揭示了沿海地区海底厌氧生态系统功能恢复机制的一部分。

创新价值

研究人员根据这次发现的硫氧化细菌和硫酸还原细菌的合作关系，将验证在更接近实际海底环境的情况下促进有机物的分解，并建立和开发保护和管理沿海地区海底沉积物生态系统的新技术。

创新关键点

研究人员以海啸引起的海底沉积物为样本，阐明生态系统功能恢复的机制，通过硫氧化细菌和硫酸还原细菌的碳传递建立伙伴关系，为生态系统功能恢复提供动力。