【产品应用】：单细胞拉曼表征揭示沉积物磷释放的隐藏驱动机制
近日，宁波东方理工大学郑春苗&哈尔滨工业大学陶彧团队利用单细胞拉曼光谱结合重水标记（Raman-D2O）技术，研究了不同营养水平（富营养、中营养、贫营养）湖泊沉积物中磷溶菌（PSB）的原位代谢活性及其驱动沉积物磷释放的机制。相关研究成果以“Single-Cell Profiling Reveals Hidden Drivers of Sediment Phosphorus Release”为题，发表于环境领域的国际TOP期刊《 Environmental Science & Technology》，论文第—作者为孔令超。
摘要
随着外源磷输入逐步得到控制，微生物介导的沉积物中遗留磷向表层水体的释放，已成为全球淡水生态系统中持续性富营养化和藻类水华频发的主要驱动因素。然而，由于固有的培养偏差，以及宏基因组整体图谱与存活细胞功能之间的脱节，捕获溶磷细菌（PSB）的原位代谢活性面临着内在挑战。此外，在异质性沉积物环境中，关于PSB表型活性与适应性遗传策略耦合机制的研究尚为匮乏，这导致人们对内生磷释放的潜在机制理解有限。本研究采用单细胞拉曼光谱结合重水标记技术（Raman-D₂O），并耦合DGT（薄膜扩散梯度）与HR-Peeper（高分辨率孔隙水采集器）原位界面过程分析，量化了富营养化、中营养化和贫营养化沉积物中PSB的独特原位溶磷活性。无机型溶磷细菌（iPSB）在所有沉积物类型中均占主导地位，但在营养丰富的富营养化区域表现出最高活性，其活性与栖息地沉积物-水界面的磷形态及DGT/HR-Peeper原位测定的释放通量呈强相关性。相比之下，有机型溶磷细菌（oPSB）在贫营养化沉积物中占优势。拉曼激活细胞分选技术（RACS）结合宏基因组测序发现，低丰度类群（如芽孢杆菌属Bacillus和不动杆菌属Acinetobacter）是磷迁移转化的关键驱动者。富营养化沉积物中的PSB富含编码磷酸酶和有机酸水解途径的基因，而贫营养化沉积物中的PSB则偏好与高亲和力转运蛋白及聚磷储存相关的基因。这些发现阐明了营养盐格局对PSB代谢特征的塑造机制，深化了对水生生态系统中微生物磷循环动态的机理认知，并为优化湖泊管理策略、减轻内源性污染物驱动的富营养化风险提供了理论依据。
三种营养水平沉积物样品的（a）上覆水和（c）孔隙水中总磷（TP）浓度的时间动态变化；（b）上覆水和（d）孔隙水中解磷活性（PSA）与总磷（TP）浓度的相关性分析。
（a）三种营养水平沉积物中各磷形态的浓度；（b）三种沉积物磷形态与微生物解磷活性（PSA）的相关性分析。
结论
本研究通过单细胞拉曼光谱结合重水标记（Raman-D₂O）、拉曼激活细胞分选及宏基因组测序等技术，系统探究了不同营养水平（富营养、中营养、贫营养）沉积物中解磷细菌（PSB）的表型活性、分类特征及代谢机制。研究发现，无机解磷细菌（iPSB）在所有沉积物类型中均占主导地位，且活性普遍高于有机解磷细菌（oPSB），其中富营养沉积物中iPSB活性最高，其活性与沉积物 - 水界面的磷形态及释放通量显著相关，使得该区域磷释放潜力最强；而贫营养沉积物中oPSB活性相对更突出，反映了PSB对不同营养环境的适应性策略。在类群组成上，低丰度的芽孢杆菌（Bacillus）、不动杆菌（Acinetobacter）等类群是沉积物磷迁移的关键驱动者，这类以往易被传统宏基因组方法忽视的稀有类群，在磷生物地球化学循环中发挥着不成比例的重要作用。代谢机制方面，富营养沉积物中的 PSB 富集磷酸酶编码基因及有机酸水解途径相关基因，通过酶解和酸解将不溶性磷转化为可溶性形态；贫营养沉积物中的PSB则优先表达高亲和力转运蛋白及聚磷激酶（ppk）等相关基因，侧重磷的高效获取与储存以适应营养限制环境；中营养沉积物中的PSB则在磷转化与储存策略间形成平衡。这些发现揭示了营养状态对PSB代谢特征的塑造作用，深化了对水生生态系统微生物磷循环机制的理解，同时为湖泊生态修复提供了理论支撑 —— 如通过疏浚降低沉积物内源磷负荷、强化外源营养输入管控以维持PSB群落稳定性，以及将单细胞Raman-D₂O技术应用于沉积物修复效果评估等，为优化富营养化治理策略、改善湖泊水质提供了实践指导。
LingchaoKong, HaoXu, YiWang, YuTao, PengXiao, ZiruiWang, MiaoZhang, XiaodanZheng, CongchaoZhang, SongCui, TiefuXu, ZhengPang, AijieWang, NanqiRen, andChunmiaoZheng, Single-Cell Profling Reveals Hidden Drivers of Sediment Phosphor us Release, Environmental Science & Technology, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c15684.
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c15684
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