会仙岩溶湿地微生物厌氧甲烷氧化作用的研究

Karst wetland is a special type of wetland, which is widely distributed in the karst region. To date the process of microbially mediated anaerobic methane oxidation (AOM) within the karst wetland is poorly understood. Our previous studies showed the presence of a diverse community of anaerobic methanotrophic archaea (ANME) in the Huixian karst wetland, and this community belongs to ANME-2d archaea. ANME-2d is a group of archaea containing the members that are able to use nitrate as electron acceptor to oxidize methane, however whether other electron acceptors are feasible for ANME-2d remains unclear. In this study, a series of methods of microbiology, molecular biology and geochemistry will be applied to analyse the sediment from Huixian karst wetland, Guilin. This research includes the studies on the microbial community, abundance and their relation to the geochemical profiles, the AOM activity and the capability of ANME-2d to use diverse electron acceptors. This project will evaluate the role of ANME in the control of methane emission from fresh water wetland into the hydrosphere, support the preservation and exploition of microbial resources , and improve our understanding upon the "carbon sink" function of karst processes.

岩溶湿地是一类广泛分布于岩溶地区的淡水湿地，但目前人们对该环境中微生物参与的厌氧甲烷氧化作用（AOM）的认识还很有限。在前期的研究工作中我们发现桂林会仙岩溶湿地沉积物中存在着种类丰富的厌氧甲烷氧化菌(ANME)，可以归类为ANME-2d古菌类群。ANME-2d古菌包含可以利用硝酸盐为电子受体进行AOM的类型，但是这一类古菌的电子受体利用多样性目前尚不清楚。本项目将综合运用微生物学、分子生物学以及地球化学等学科的知识和技术，以会仙岩溶湿地沉积物为研究对象，分析包括ANME在内的原核微生物的群落组成、丰度和环境因子之间的联系，研究AOM活性和ANME利用电子受体的多样性。本项目的开展将有助于评估岩溶湿地环境中AOM对减少甲烷排放的贡献，为保护和开发岩溶湿地微生物资源提供理论指导，并对阐明岩溶环境的碳汇功能具有重要意义。

研究背景：岩溶环境具有涵养水源、碳汇以及支持生态多样性等多种重要功能，微生物被认为在岩溶环境的水质净化和岩溶过程中扮演重要的角色，但关于岩溶环境古菌的了解还十分有限。厌氧甲烷氧化古菌（ANME）介导的厌氧甲烷氧化作用（AOM）对减少自然环境中温室效应气体甲烷的排放具有重要贡献。在前期的研究工作中我们发现桂林会仙岩溶湿地沉积物中存在着种类丰富的ANME古菌，但缺少对其生态功能、空间分布特征及相关环境因子等方面的了解。.研究内容：为增进认识岩溶环境ANME古菌及AOM作用，本项目以会仙岩溶湿地沉积物为研究对象，综合运用多种技术手段研究了包括ANME在内整个古菌的群落，分析了其构成、数量和多样性在空间分布和夏冬两季之间的变化，探讨了引起这些变化的环境因子，同时还研究了AOM作用和产甲烷作用，并开展了主要古菌类群的分离纯化和鉴定工作。.结果：该环境中每克沉积物中古菌16S rRNA基因的含量约为5.3E+04至2.7E+10拷贝，古菌数量和多样性参数与硝酸盐浓度呈负相关，古菌的数量和多样性在夏季显著低于冬季，但在不同深度和不同采样位点之间的差异并不显著；16S rRNA基因文库的高通量测序分析显示，古菌群落主要由广古菌门和深古菌门构成，其中包括~9%的ANME-2d，~47%的产甲烷菌（主要为Methanosarcinales和Methanomicrobiales），以及MCG-11为主的深古菌（~38%）；古菌的群落组成主要受沉积物含水量和pH值的影响，在4个位点间呈现出2种纵向分布特征；采用了C13同位素标记法的AOM研究发现该环境中微生物具备以硝酸盐为电子受体的厌氧氧化甲烷能力；对产甲烷作用活性测定的研究表明，在4-30 ℃范围内其活性与温度呈负相关；在对古菌的分离纯化方面获得了一株产甲烷菌和一株纤维素降解细菌。.结论：ANME-2d类群古菌参与了会仙岩溶湿地的AOM作用，它们能够利用硝酸盐作为电子受体进行AOM作用，但环境中过多的硝酸盐可能会抑制产甲烷菌等相关类群古菌的生长进而抑制ANME的数量及AOM的活性。研究还首次揭示了MCG-11对弱碱性、高含水量和富含有机质的偏好性。.