微网站有助于高地土壤中微生物的硫酸盐还原作用

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Microsites Support Microbial Sulfate Reduction in Upland Soils

农业硫输入驱动微生物硫酸盐还原（MSR），传统认为MSR仅存在于饱和环境。本研究通过同位素追踪和银膜成像技术，在加州纳帕谷不同水文条件下（干燥、湿润、饱和）发现：湿润条件下微区域MSR活性高达22.1 nmol/cm3·d，而饱和时扩散区活性仅0.9 nmol/cm3·d。特别证实干旱期仍存在MSR微区域，颠覆了MSR依赖饱和氧和无机环境的传统认知，揭示旱地土壤在人为硫循环中的关键转化作用。

　　

Laura T. Rea | Clifford Adamchak | Jacqueline R. Gerson | Magdalena A. Franchois | Hans R?y | Eve-Lyn S. Hinckley

美国科罗拉多州博尔德市环境科学合作研究所

摘要：

农业硫（S）输入是环境中人为硫的主要来源，常常会刺激下游环境中的微生物硫酸盐还原（MSR）反应，并引发多种生态系统后果。由于人们普遍认为富含氧气的土壤无法支持这种还原过程，因此MSR通常只在饱和环境中（如下游湿地）进行研究。在本研究中，我们调查了美国加利福尼亚州纳帕谷不同水文条件（干燥、湿润、饱和）下土壤剖面中的MSR活动及其空间分布。在该地区，硫元素作为杀菌剂被添加到葡萄园中。通过结合使用³⁵S-硫酸盐放射性同位素示踪技术和银膜成像技术，我们观察到在湿润条件下，小范围内的硫酸盐还原速率（SRRs）最高（22.10 ± 61.02 nmol cm^-3 soil day^-1），而在饱和条件下，扩散区域的硫酸盐还原速率较低（0.90 ± 2.05 nmol cm^-3 soil day^-1）。我们的研究结果表明，在湿润条件下，高地土壤中的MSR活动在高SRR的微小区域发生；而在饱和条件下，则发生在低SRR的扩散区域。值得注意的是，我们还在干燥条件下发现了持续进行MSR的微小区域，这进一步挑战了MSR仅限于缺氧环境的传统观点。我们的发现强调了高地土壤在人为改变的硫循环中可能扮演的重要转化角色。

术语表

术语解释

• •人为硫（S）：通过人类活动（如工业排放或农业应用）引入环境中的硫，改变了自然硫循环。
• 微生物（异化）硫酸盐还原（MSR）：在缺氧条件下进行的微生物过程，其中硫酸盐作为最终电子受体，还原产物为硫化氢。
• 硫酸盐还原速率（SRRs）：衡量土壤或沉积物中硫酸盐还原发生的速率。

研究地点

纳帕河流域（美国加利福尼亚州）面积约为1,103平方公里，其中约11%为葡萄园，周围环绕着草地、林地和森林（约63%）。该流域的南端流入圣巴勃罗湾湿地（图1），这是一个与旧金山湾河口相连的广阔湿地网络。纳帕谷是米沃克湖（Lake Miwok）、海岸米沃克（Coast Miwok）和南部波莫（Southern Pomo）等原住民传统的活动区域。

结果

通过放射性示踪技术和银膜成像技术，我们获得了每个地点土壤剖面中硫酸盐还原的定量数据（图3b）及其分布图（图4）。 在各种土地利用类型中，我们未观察到采样条件之间的土壤硫酸盐浓度存在显著差异（p > 0.05，图3a）。然而，在干燥条件下，土壤硫酸盐浓度普遍较高，尤其是在葡萄园土壤中更为明显。

讨论

本研究基于先前研究的硫稳定同位素证据，这些证据表明农业土壤中可能发生MSR反应（Hermes等人，2022年），因此有必要直接测量这一过程。根据我们的硫酸盐还原速率测量结果，我们确认MSR确实在高地土壤中发生，无论是在饱和条件下还是湿润条件下。此外，定量数据表明，在湿润条件下许多样本中没有可测量的MSR活动，但那些有MSR活动的样本……

结论

本研究表明，MSR不仅限于饱和或湿地环境，也发生在通气良好的高地土壤和农业土壤中，且其发生受多种水文条件影响。通过结合定量硫酸盐还原速率测量和银膜成像技术，我们发现MSR活动具有高度动态性：在湿润条件下，高还原速率主要发生在特定微小区域；而在饱和条件下，则更多地分布在低还原速率的扩散区域。尽管其影响范围有限……

作者贡献声明

Laura Rea：撰写初稿、可视化处理、方法设计、研究实施、资金筹集、数据分析及概念构思。 Clifford Adamchak：研究实施。 Eve-Lyn S. Hinckley：撰写与编辑、监督工作、资金筹集及概念构思。 Hans R?y：撰写与编辑、方法设计。 Magdalena A. Franchois：方法设计、研究实施。 Jacqueline R. Gerson：研究实施。

未引用参考文献

加利福尼亚大学农业与自然资源系，2024年。

数据声明

本研究生成的数据可通过环境数据计划公开获取（https://edirepository.org/）。测量的硫酸盐还原速率及其他土壤理化数据可在以下链接查看：https://doi.org/10.6073/pasta/d84d7763b24c1ae5730a9fae1f5c09a7（Hinckley & Rea, 2025）。

资金来源

本研究得到了美国国家科学基金会（NSF）CAREER奖项（EAR-1945388）对E.S. Hinckley的支持，以及NSF资助的Niwot Ridge LTER项目（NWT VII: NSF DEB-1637686, NWT VIII: NSF DEB-2224439）的支持，资助人也包括E.S. Hinckley。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：Eve-Lyn S. Hinckley表示获得了美国国家科学基金会的财务支持。若还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢技术人员、研究生和本科生对本研究的支持，包括Douglas Castro在样本收集方面的帮助，以及Rachel Belport和Mia Williams在土壤分析测量中的协助。同时，我们也感谢纳帕谷的葡萄园管理者和土地所有者，以及Jesse Colangelo在方法开发方面的支持。