高原湖泊沉积物中硫形态分布与微生物地球化学行为——以云南洱海和贵州阿哈湖为例

洱海和阿哈湖都是处于云贵高原上的湖泊，但是在气候、光照、氧含量、硫酸盐含量、成湖历史上有显著的差别，是研究湖泊沉积中硫的微生物地球化学循环机制的绝佳对象。我们利用分光光度法、离子色谱、高效液相色谱、荧光原位杂交等方法获得了洱海和阿哈湖春季、秋季和冬季沉积物中的硫形态（S2-、SO32-、S2O32-、SO42-、AVS、S0、FeS2），和硫酸盐还原菌的空间分布规律，并分析了它们之间的空间耦合关系，初步得出了以下几点认识： 1. 限于H2S低于检出限，洱海春季、秋季和冬季沉积物孔隙水中无H2S的检出，阿哈湖春季和冬季亦无H2S的检出，仅秋季表层孔隙水中有少量的H2S检出。其原因是由于Fe2+消耗殆尽，多余的H2S与Mn2+结合形成MnS，MnS溶度积较大，一部分MnS发生水解产生S2-。 2. 在洱海春季、秋季、冬季三个季节中，春季沉积物孔隙水中的SO42-含量最少，呈现出还原特征；冬季最高，但空间分布不连续，既呈现氧化特征又呈现还原特征。我们认为这是由于黏附沉降在湖泊沉积物顶部形成生物膜所致，并由此提出微生物粘附沉降模型：春季、冬季湖水表层温度较低而底层温度高，湖水发生垂直对流运动，其中微生物也随湖水运动，当微生物到达湖底沉积物顶部时，其中一些表面黏性的微生物就会黏附在沉积物上，而且先前黏附在沉积物上的微生物还会会黏附更多的微生物，只要对流过程一直发生，粘附沉降作用就一直继续，这一作用可以在洱海沉积物表面形成一层厚实的生物膜。冬季生物膜还未完全形成，所以湖泊沉积物既呈现氧化特征又呈现还原特征；春季生物膜已经完全形成，湖泊沉积物呈现出还原特征。 3. 两个湖泊沉积物单质硫在春冬季节明显高于秋季，表明单质硫在冬、春季积累，在秋季消耗。认为冬、春季还原作用对单质硫的消耗不产生影响，秋季硫氧化菌的氧化作用引起单质硫减少。此外，冬季和春季单质硫的空间分布极大相似，春季酸可挥发性硫（AVS）和单质硫的空间分布也存在相似性，显示可能存在稳定的单质硫形成机制，而且这一机制的制约条件没有发生变化，这可能是因为单质硫是在硫酸盐还原过程中与AVS同时形成的。 4. 利用荧光原位杂交法得到了沉积物中硫酸盐还原菌的空间分布结果，。从中可以辨识沉积物中硫酸盐还原菌的分布随深度增加存在0－5cm，5-8cm， 8-14cm三个高峰，从而分为0－5cm，5-8cm，8-14cm和14cm以下四个层次，四个层次中最顶层（0－5cm），恰好是一年中各种形态硫氧化还原作用最活跃的一层，二者之间具有空间耦合关系。这一层虽然硫酸盐还原菌数量不是最多，但活性较强。 5. 根据单质硫大量出现的时间与硫酸盐还原作用发生的时间一致，春季酸可挥发性硫（AVS）也和单质硫空间分布存在很大相似性。提出了单质硫是在硫酸盐还原过程中与酸可挥发性硫（AVS）同时形成的：一方面硫酸盐还原菌利用硫酸盐作为电子受体，产生H2S；另一方面硫酸盐还原菌（或其他微生物）分解有机物，产生低级脂肪酸和能量。且生成的低级脂肪酸和H2S可能有特定比例关系。这样，既有丰富的H2S又有H+，H2S便会被其高价态的物质（如 SO32-，S2O32-，SO42-，NO3-等）自发地氧化为单质硫。