基于稳定性同位素探针技术揭示陆地泥火山甲烷厌氧氧化的机制

Mud volcanoes are an important source of the atmospheric greenhouse gas methane (CH4). A great deal of biogeochemical research has focused on CH4 fluxes, but the underlying microbial processes and their key agents remain poorly understood. Microbially mediated anaerobic oxidation of methane (AOM) regulates the input of methane to the atmosphere by consuming methane produced in marine sediments，but AOM has only recently been identi?ed in a few nonmarine systems. Still, questions remain regarding diversity, ecophysiology and metabolic pathways of AOM-related organisms in terretrial mud volcanoes. We used 13C isotope tracers and followed the fate of 13C into CO2 and microbial biomass in order to study the active anaerobic methanotrophic archaea (ANME) in terrestrial mud volcanoes in Xinjiang. Meanwhile, the biochemical pathways for AOM of ANME were also investigated based on NaonoSIMS techniques. We might elucidate the key biochemical pathway and the metabolic contribution of ANME within the biogeochemistry process of CH4-carbon cycle in terrestrial mud volcano.

泥火山是甲烷温室气体的重要排放源之一。尽管对泥火山甲烷的排放开展了较多的生物地球化学研究，但对其中的微生物学过程和功能作用的研究相对不足。微生物介导的甲烷厌氧氧化通过代谢甲烷调控着海底甲烷向大气中的释放，但非海洋环境中甲烷厌氧氧化也仅在最近被研究证实。目前，对陆地泥火山甲烷厌氧氧化相关的微生物生态和生理以及甲烷代谢机制了解较少。我们计划以新疆泥火山为研究模板，利用13C稳定性同位素探针技术结合高通量测序分析手段，探明陆地泥火山具有代谢活性的ANME功能群特征；借助NanoSIMS等显微分析手段认识ANME功能群原位形态和生态生理特点，阐明ANME代谢甲烷的相关微生物学机制。这一课题的完成将会初步认识陆地泥火山ANME甲烷厌氧氧化机制，以及其在陆地泥火山甲烷碳循环中的代谢贡献。

泥火山作为重要的温室气体排放源在全球范围内分布广泛，每年30%地质成因的甲烷（CH4）（10–20 Tg·y-1）来自泥火山喷发的气体，随着全球气候变暖问题日趋严重，大量研究围绕泥火山地区的甲烷循环展开。我国新疆准噶尔盆地拥有亚洲最大的泥火山群，目前，对新疆泥火山的研究多集中在地球化学特征、矿质组成和成因机制等领域，而有关该地区微生物群落结构及微生物参与的碳氮硫铁等重要元素的生物地球化学过程的研究还鲜有报道。同时，不同元素耦联的厌氧甲烷氧化（AOM）机制尚不清楚。新疆泥火山地区极高的甲烷排放量和丰富的铁硫矿物浓度，为研究微生物参与的甲烷循环及耦合其他元素的生物地球化学过程提供了极佳的样本。本项目的主要研究内容及结果如下：（1）新疆泥火山微生物群落结构及其驱动因子解析。采用Illumina Miseq高通量测序技术对准噶尔盆地艾琪沟、白杨沟和独山子三个地区的6个泥火山喷口的微生物16S rRNA进行测序分析，结果表明，产甲烷古菌如Methanosarcinales和Methanomicrobiales等为主要的优势古菌，Gammaproteobacteria为优势细菌。ANME-2d为新疆泥火山地区主要的甲烷厌氧氧化菌类型，同时，各样地中普遍存在多种好氧甲烷氧化细菌和铁硫还原菌。结合Mantel和MRT等相关统计分析，结果表明，温度及电子受体Fe、NO3-和SO42-是驱动新疆泥火山微生物种群结构的主要因子。同时微宇宙孵化培养实验从生物地球化学角度进一步验证了三种电子受体对AOM的影响。（2）泥火山地区微生物分子生态网络（pMENs）互作关系解析。选择在发育年代、地化性质、CH4代谢等方面均存在显著差异的两个典型泥火山样地BYG3和DSZ构建pMENs。结果表明，产甲烷古菌和ANME-2d等甲烷循环相关微生物为pMENs中的关键种群，他们既是网络中的优势种群，也是主要的模块中心节点和连接节点。此外，两样地关键微生物的网络互作关系表现出明显的差异：BYG3样地关键微生物网络结构较为单一，仅包含产甲烷古菌、ANME-2d及Halobacteriaceae；而DSZ样地pMENs中ANME-2d与多种铁硫还原菌呈现出正相关关系。 网络中以正相关关系配对存在的多组微生物互作关系表明这些菌群间可能存在互养或互利共生关系，且同时完成各自的代谢，最终呈现出非顺序的氧化还原过程。