反硝化型甲烷厌氧氧化相关微生物在黄河底泥中的生态分布研究

Microbes are central to the global methane cycle and the change in the community ecology of the microbes plays an important role in methane production and elimination. Recently, denitrifying anaerobic methane oxidation found in freshwater system provides a new pathway for anaerobic methane oxidation. Recently, it has been reported that this pathway can be regulated not only denitrifying anaerobic methane oxidation microbes but also anaerobic ammonium oxidation. However, community features (e.g. distribution, abundance and diversity) of these microbes in freshwater system are not clear. The freshwater sediment is crucial for survival of microbes. In this study, first, we will collect sediment samples from the middle and lower reaches of the Yellow Reviver and detect the different physicochemical features by various methods. Next, we will employ Q-PCR and DNA sequencing to investigate the community features of denitrifying anaerobic methane oxidation microbes (anaerobic methanotrophic archaea and M.oxyfera-like bacteria) and anaerobic ammonium oxidizing bacteria in sediment. Then, we will perform Pearson Correlation Analysis and Canonical Correspondence Analysis to identify the linkage between sediment physicochemical characteristics with community features of these microbes, and explore the possible mechanisms. In conclusion, our research will provide a new insight for denitrifying anaerobic methane oxidation in the freshwater sediment.

微生物是全球甲烷循环的主要驱动者，其群落特性的变化在甲烷的产生和消除中扮演十分重要的角色。反硝化型甲烷厌氧氧化是最近在淡水生态系统中发现的一种全新的甲烷厌氧氧化途径。最新的报道显示，该途径不仅受到反硝化型甲烷厌氧氧化微生物(甲烷厌氧氧化古菌和M.oxyfera类细菌)调节而且还受到厌氧氨氧化菌的影响。但是，对于这些微生物群落特点的全面研究非常缺乏。淡水底泥是这些微生物群落赖以生存的关键场所，因此，本研究将选择黄河中下游为采样环境，进行如下研究：1）利用各种分析方法，检测不同底泥样品的多种理化特性；2）利用Q-PCR及DNA测序技术全面剖析反硝化型甲烷厌氧氧化微生物及厌氧氨氧化菌的分布、丰度及多样性；3）建立Pearson相关性和CCA典型对应性分析模型，揭示这些微生物的群落特点与底泥理化性质的关联关系。本项目将从群落生态的角度为淡水系统中反硝化型甲烷厌氧氧化途径提供一个全新的理解。

反硝化型甲烷厌氧氧化是淡水生态系统中最新证实的能够高效偶联碳氮循环的新途径，但是，相关功能微生物在黄河底泥中的分布特征并不清楚。在本研究中，首先，我们沿陕西潼关县渭河与黄河交叉口至山东东营黄河入海口进行大量采样和样品理化性质测定。结果显示，底泥理化因子随着样品深度及样品点的变化而发生明显变化。其次，我们高通量测序的结果表明，与反硝化型甲烷厌氧氧化密切相关的微生物类群(Nitrospirales目、Planctomycetales目和Methanosarciales目)在各个样品中的丰富度均位于top30以内。而且，与硫酸盐型甲烷厌氧氧化密切相关的Desulfobacterales目也普遍存在于各个样品中。因此，黄河底泥中很可能同时存在硝酸盐和硫酸盐驱动的甲烷厌氧氧化进程，协同调控了甲烷的厌氧氧化。Q-PCR结果显示，与反硝化型甲烷厌氧氧化相关的微生物M. oxyfera-like细菌、ANME-2d古菌和厌氧氨氧化菌在黄河底泥中的含量分别在0.2×101-1.01×105copies/g、0-9.08x102copies/g和0-3.08x106copies/g之间。CCA典型对应分析表明，硝酸根、亚硝酸根和氨氮含量对ANME-2d古菌、Anammox菌和M. oxyfera-like细菌的分布有较大的影响。除此之外，我们也调查了反硝化型甲烷厌氧氧化相关微生物在长江底泥中的分布特征，比较了这些微生物在黄河和长江底泥中分布的差异。综上，本研究首次发现M. oxyfera-like细菌、ANME-2d古菌和厌氧氨氧化菌在黄河底泥中的共存，阐明了影响这些微生物分布特征的影响因素，扩展了我们对反硝化型甲烷厌氧氧化途径相关微生物在淡水生态系统中分布特征的理解。