太湖湖底沉积物中Fe-Mn-C-P的微生物地球化学行为及其环境意义

The Tai Lake is one of the largest freshwater lakes in China. The ecology and environment of the lake is directly affected by the dynamics and diverse geo-microbial processes that occur both in the water and sediments of the lake. Through technologies in microbiology, mineralogy, geochemistry and environmental chemistry, a systematic analysis of the microbial diversity, mineralogical composition and existing forms of Fe, Mn, C and P in the sediments will be conducted to determine the microbial community that is related to the chemical transformation of Fe, Mn, C and P. The fine structure of nano-authigenic minerals and Fe-nucleus in sediments will be studied to reveal the mineralogy and isotopic geochemistry of Fe-Mn-C-P geo-microbial processes. Surface analysis and spectroscope technologies will be employed to disclose the microbial reduction of Fe and Mn, as well as their relationship to the changes in the existing form of P. Furthermore, lab experiments will be carried out to understand the mechanisms of Fe-Mn-C-P geochemical cycling driven by microbes, and to investigate the electron transfer between different species including Fe, Mn, C and P. In addition, a coupled microbial and geochemical model will be developed combined with an assessment of its environmental importance.

太湖是我国最大的淡水湖泊之一，水体和沉积物中微生物地球化学作用活跃而多样，直接影响着湖泊的生态环境质量。本项目拟综合运用微生物学、矿物学、地球化学和环境化学等多学科研究技术，系统分析太湖沉积物的矿物学组成、微生物多样性特征以及Fe、Mn、C、P等元素的赋存形式，确定与Fe、Mn、P化学转化有关的微生物功能群；从沉积物中的纳米自生矿物和铁质结核的精细表征入手，查明Fe-Mn-C-P微生物地球化学作用的矿物学和同位素地球化学记录；借助表面分析和谱学技术，揭示铁锰元素的微生物还原与矿化作用及其与磷赋存形式变化的联系。在此基础上开展模拟实验，重点揭示微生物驱动Fe-Mn-C-P地球化学循环的机制，研究含Fe、Mn、P、C等物种间的电子转移行为，最终构建Fe-Mn-C-P微生物地球化学耦合模型，并探讨及其环境意义。

湖泊沉积物是生物圈物质进入岩石圈的“门槛”，也是C、N、S、P等元素发生转化和矿化的重要场所，铁锰矿物的微生物还原作用是控制有机质分解、磷释放和重金属活动性的关键。本项目旨在阐明湖泊沉积物中Fe、Mn微生物还原和矿化的动力学机制、矿物学记录和环境意义。在执行期间，我们按照研究计划完成了综合取样、模拟实验和系统的矿物学、地质微生物学、地球化学分析，建立了太湖梅梁湾、北部和西南部三个位点的沉积地球化学剖面，揭示了Fe、Mn、C、P、微量元素和有机质的赋存形式和含量变化。研究发现锰物种的微生物还原作用先于铁还原发生，发生还原的深度区间与沉积速率呈正比关系。以水铁矿为代表的活性铁组分的还原作用主要发生在0-20 cm沉积物内，菱铁矿在40 cm附近大量形成，以铁质结核或黏土矿物表面微纳米结晶的形式产出；伴随着铁矿物的物相转变，铁结合态磷下降，可交换态磷升高；重金属元素的富集系数随沉积物深度增加存在急剧的下降，疑受人类活动和矿物相转变双重因素制约。Fe、Mn地球化学特征变化与沉积物的微生物群落组成之间存在对应关系，浅层以高营养需求的异养微生物和专性/兼性发酵性Fe/Mn还原微生物为主，深层以硫酸盐呼吸型微生物为主，不同位点浅部沉积物的微生物群落差异显著，主要受有机碳供给和沉积速率制约。以此为基础，根据Fe、Mn矿物的微生物氧化还原特征和矿物演化序列，构建了太湖浅层沉积物中微生物驱动铁锰矿物转变和Fe、Mn、C、P循环的地球化学模型。