青藏高原高寒湿地甲烷厌氧氧化参与碳循环的特征及其生物驱动机制

Wetlands, one of the terrestrial ecosystems, play an important role in global carbon cycling. The fate of methane-carbon in climate change is important in understanding climate feedbacks of wetland. However, the role anaerobic oxidation of methane (AOM) in wetland and the underlying mechanisms potentially involved remains largely unstudied, in spite of increasing evidence that this process serves as an important methane sink. To this end we performed electron acceptor addition experiments under different temperature to highlight the potentially large role AOM plays in Zoige natural wetland methane cycling. Here, we used 13c-stable isotope traces to study biogeochemistry of AOM. Highlighting the putative type of AOM and the key microorganism(s) involved in AOM based on stable isotope probing, fluorescence in situ hybridization. Nanoscale secondary ion mass spectrometry (nanoSIMS) combined with 15N stable isotope probing was used to investigate cell metabolic activity of AOM. Our overall aim was to elucidate which type AOM serves as a crucial gatekeeper in natural wetland and the underlying mechanisms potentially involved.

湿地是与全球碳循环密切相关的陆地生态系统，气候变化下碳循环末端产物甲烷的归趋对理解湿地的气候反馈非常重要。微生物介导的甲烷厌氧氧化过程（AOM）是一条重要的甲烷汇途径，但对其在天然湿地环境中的生态作用和甲烷厌氧氧化的主要驱动机制还有许多核心的科学问题有待揭示。本申请中，我们选择人类活动干扰较小的若尔盖天然高寒湿地，通过建立添加不同电子受体的微宇宙模拟实验和温度梯度实验，阐明湿地AOM的主要类型和驱动机制，主要开展：1）基于13C示踪及同位素地球化学认识甲烷厌氧氧化在湿地碳循环中的生态作用；2）借助稳定性同位素探针（SIP）和分子生态技术探讨AOM过程中关键微生物功能群及代谢关系；3）通过免疫荧光探针和NanoSIMS分析AOM代谢特点和偶联互作机制。

甲烷作为第二大温室气体，在加速全球变暖的过程中起着重要作用。湿地是大气甲烷的最大自然来源，在气候变暖的大背景下，湿地中甲烷的产生和氧化日趋活跃，甲烷的产生和甲烷的氧化共同决定了甲烷的去向及源汇关系。青藏高原地区是全国湿地面积最大的区域，已有研究结果表明，高原地区的高寒湿地中存在活跃的产甲烷活动。反硝化型厌氧甲烷氧化（DAMO）耦合碳氮两大重要的营养元素循环，但这些过程在高寒湿地中的综合现状仍不清楚。通过对青藏高原高寒湿地厌氧甲烷氧化过程的研究，项目开展的主要研究内容和取得的主要研究进展如下。1，运用实时荧光定量PCR和Illumina高通量测序技术解析了三个典型青藏高原高寒湿地微生物种群包括DAMO微生物的分布特征。这三个不同类型的高寒湿地分别为若尔盖湿地（33°56' N, 102°49' E; 3433 m），莽措湖湿地（29°32' N, 98°50' E; 4297 m）和白马雪山湿地（27°37' N, 99°07' E; 3869 m）。研究结果表明在青藏高原地区寒冷的湿地环境中存在丰度较高的DAMO古菌M. nitroreducens和DAMO细菌M. oxyfera。借助网络结构模型分析了湿地中的DAMO微生物和其他微生物之间的相互作用，结果显示若尔盖湿地中DAMO微生物和细菌（包括古菌）形成了相互作用关系网络，而真菌和DAMO微生物之间没有显著的相互作用关系。2，针对若尔盖湿地进一步探究DAMO微生物在湿地土壤中的时空分布及活性，评估DAMO过程对湿地温室气体甲烷减排的贡献，以及DAMO微生物和其他参与碳氮循环微生物之间的相互作用关系。结果显示在若尔盖湿地中反硝化型厌氧甲烷氧化细菌M. oxyfera和古菌M. nitroreducens在整个土壤层上表现出生态位分化。高寒湿地中DAMO微生物在不同季节和土壤层中的生态位研究及分析DAMO菌和氮循环微生物之间生态关系，补充了对高寒湿地中的甲烷氧化及碳氮循环的认识。