西藏热泉微生物种群构成与功能及高温铁循环微生物作用研究
发布时间：2020-08-25 05:57
【摘要】：研究热泉微生物生态及其功能,对于揭示地球早期生命及其参与的元素物质循环过程具有重要意义。热泉微生物的群落结构与其生态功能息息相关,对热泉微生物群落结构及其对环境和空间因子响应的研究有助于我们理解热泉微生物对极端环境条件响应机制和深入挖掘热泉微生物资源。依据对生物量和多样性贡献大小,微生物群落可分为优势(相对丰度1%)和稀有种群(相对丰度0.01%):前者贡献了主要生物量和较少的微生物多样性;后者代表了少数生物量和较多的微生物多样性,是热泉微生物种群的重要组成部分,同时在生态系统中发挥着重要功能,也是维持整个生态系统持续、稳定发展的微生物类群。然而前人研究对热泉微生物种群很少区分优势种群和稀有种群。因此,关于热泉优势和稀有种群微生物构成和功能及其对环境响应知之甚少。此外,由于可溶性Fe(II)和Fe(III)矿物是地热流体环境中微生物最重要的电子和能量来源之一,热泉中具有活跃的铁循环过程。然而,有关地热环境中微生物驱动的铁氧化或铁还原过程及其所引起的矿物学变化却鲜有报道。西藏地热区(特别是藏南地区),是世界上最活跃的地热区之一,拥有数千个出露的热泉,热泉水化学参数特征各异,受人类互动干扰较少,是研究热泉微生物生态及功能的理想场所。本研究通过高通量技术测序(Illumina MiSeq)、地球化学分析和统计学方法相结合的方法,对采集到的66个西藏热泉样品(热泉间的地理距离0 610 km,温度32 86~oC,pH 3.0 9.5和盐度(0.13 1.32 g/L)微生物群落组成、生态功能(总体、优势、中间和稀有种群),及其与环境因子和空间因子(地理距离,GD)的响应关系进行了全面研究。同时,有选择性地针对部分典型热泉,对高温厌氧铁氧化微生物(硝酸盐依赖型铁氧化菌)和嗜热铁还原菌(异化铁还原菌)进行富集、分离、鉴定、铁还原/氧化动力学研究并对所产生矿物进行系统研究。得出的主要结论如下:1、西藏热泉微生物种群和功能构成及其对环境的响应1)优势种群和稀有种群群落结构存在一定差异,但也存在共有种群,预示着在环境条件改变时,二者可以相互转换。优势种群中占主导地位的种群包括Chloroflexi、Proteobacteria、Deinococcus-Thermus、Aquificae、Bacteroidetes和Firmicutes门。相比较而言,稀有种群中占主导地位的种群主要为新发现的或有待确定分类地位的一些门,如Dictyoglomi、Hydrogenedentes、Atribacteria、Hadesarchaea、Aminicenantes、Microgenomates、Calescamantes、Omnitrophica、Altiarchaeales和Chlamydiae。这些稀有种群的发现将会为热泉微生物生态学、分类学、基因组学等带来新的机遇和挑战。并且,在优势种群和稀有种群中也存在一些共有的门,如Crenarchaeota、Bathyarchaeota和Chlorobi,可推测在环境条件改变时,稀有种群可能会转变为优势种群,并维持整个生态系统的持续稳定性。2)优势、中间和稀有种群的群落结构对环境和空间因子(GD)的响应不同。优势种群主要受温度和TOC的影响,中间种群主要受pH和盐度影响,而稀有种群主要受DOC和pH的影响,这种优势、中间和稀有种群对环境因子的响应差异可能由于它们不同的生长速率和活性(本文论中以相对丰度来体现)。GD对优势、中间和稀有种群构成的影响都有贡献,但GD对中间和稀有种群构成的影响贡献率远大于其对优势种群构成影响的贡献,暗示了相对于稀有种群而言,优势种群在不同热泉间更容易扩散。3)优势和稀有种群生态功能及对环境因子的响应均存在差异,预示着二者在热泉生态系统中占据不同的生态位。生态功能预测结果显示,与C、N、S循环相关的微生物功能群在西藏热泉中广泛存在,优势(如氨氧化)、中间和稀有种群(如有机质降解)分别有独特的生态位,且中间和稀有种群在有机质降解方面的作用可能大于优势种群的作用。2、西藏热泉铁还原/氧化微生物参与的铁还原过程及其地质学意义1)西藏热泉中硝酸盐依赖型的铁氧化菌(Anaerobic nitrate-depending Fe(II)oxidaing microorganism,ANDFOM)主要存在于超高温热泉中(80~oC)中(QZM-1,QZM-2,QZM-16),且在系统发育学上隶属于细菌域的Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Firmicutes门;ANDFO过程中形成的磁铁矿和菱铁矿与条状铁建造带(BIFs)中的含铁矿物成份在形态(菱形十二面体或正六面体)和晶体大小(1.5 2μm,大于非生物作用产生的晶粒)方面极其相似,鉴于热泉环境条件(高温、缺氧等)相似于前寒武纪BIFs形成时地球环境特征,可推测嗜热的厌氧硝酸盐依赖型铁氧化菌可能在BIFs形成过程中起了重要作用。2)西藏热泉中可培养异化铁还原细菌主要由Thermonicola、Carboxydocella、Carboxydothermus、Desulfotomaculum、Thermodesulfobacterium、Thermanaerothrix、Thermodesulfovibrio、Methyloversatilis、Thermotoga和Peptococcaceae bacterium Ri50等属构成,这与前人通过富集或分离培养获得的种群构成一致,唯有甲基营养型的Methyloversatili属于首次被发现具有异化铁还原功能;不同菌株、电子供体(醋酸、乳酸)、受体(水铁矿、富铁蒙脱石)下的铁还原程度和次生矿物的生成均存在一定差异。以乳酸为电子供体时,纯菌株QZM1201(Thermincola carboxydiphila,相似度99.71%)和QZM1202(Carboxydocella thermautotrophica,相似度97.21%)在还原FeOOH时,可产生结晶态较好的蓝铁矿;而纯菌株QZM1201、QZM1202和QZM2101(Methyloversatilis universalis,相似度100.00%)还原绿脱石可使其伊利石化,其还原程度(18.45-28.5%)与常温铁还原菌加入电子穿梭体时的还原程度相当。说明热泉生境中异化铁还原菌对粘土矿物的高还原程度取决于热泉中所特有的微生物类群及水化学条件,同时也暗示了异化铁还原菌对热泉沉积环境中次生矿物的形成具有重要影响。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P314;Q938
【图文】：
图 1-2.热泉微生物多样性（OTUs）随温度和 pH 的变化分布图（基于克隆文库和高通量测序数据统计结果）。注：包括美国的 YNP 热泉和 GB，中国云南腾冲和西藏，俄罗斯的堪察加半岛，巴基斯坦，印度[14,38 ,40, 43, 277, 286, 289-290]Figure 1-2. Variation of 16S rRNA-based microbial diversity （OTUs） in response totemperature and pH in hot springs from YNP （12 samples） and GB（4 samples） of USA,Tengcong and Tibetan Plateau in China （66 samples）, Kamchatka of Russia （13 samples），Pakistan （9 samples）, India （4 samples）. The 16S rRNAsequence data were derived from eitherclone library or high-throughput sequencing.然而，热泉中微生物群落结构并未表现出与温度的单一相关性，这种现象表明其它环境变量（如 pH、DOC、TOC 含量等水化学条件）和/或空间因子（如地理距离）共同影响着微生物群落的构成[54, 55]。有关云南腾冲热海热泉中微生物群落组成的研究发现，温度、pH、硫化物含量以及沉积物矿物学特征均会影响热泉环境中的群落组成（Hou et al., 2013）。例如，在酸性高温热泉中（pH：2.5 2.6，85.1 89.1°C）或硫化物含量较高时，Crenarchaeota中的Sulfolobales纲为优势种群；
图 1-3 微生物驱动的铁循环（据文献 Weber 等., 2006 改绘）。（Fe(II)aq：可溶性 Fe(II)，Fe(II)S：固态 Fe(II)）。Figure 1-3 The microbially mediated iron redox cycle.1.4.2.1 热泉铁氧化菌研究进展铁氧化菌（Fe(II)-oxidizing microorganism，FOM ）是指可以在好氧或厌氧条件下，以 Fe(II)为电子受体来获取能量的微生物，主要有四种类型： 1）中性好氧铁氧化菌（Aerobic neutrophilic FOM）；2）嗜酸性好氧铁氧化菌（Aerobic acidophilicFOM）; 3） 厌氧不产氧光合作用铁氧化菌（Anaerobic anoxygenic photosynthesisFOM）; 4）中性厌氧环境下的硝酸盐依赖型铁氧化菌（Anaerobic nitrate-dependentFOM，ANDFOM）[31]。同样作为铁循环的重要部分，人们对于微生物调节的 Fe(II)铁氧化作用的了解比 Fe(III)还原作用晚了大约 10 年的时间，原因是由于铁氧化菌的分离和培养相对较为困难[79]，尤其是 ANDFOM 的重要性在近二十年来才逐渐被重视，该类微生物驱动的铁氧化过程（即 anaerobic nitrate reduction-dependentFe(II) oxidation，ANDFO：10Fe(II) + 2NO-+ 24HO → 10 Fe（OH）+ 18H+ + N）
图 1-4 异化铁还原菌（A、B）和铁氧化菌电子（C、D）传递方式Mtr：金属还原，Pcc：细胞色素蛋白， Pio：光合铁氧化和 Mto：金属氧化。Mtr 途径中（A.Shewanella oneidensis MR-1，B. Geobacter sulfurreducens），电子从胞质膜上的醌池（QH2）传递给细胞色素 A 含铁蛋白（A.CymA；B. ImcH 和 CbcL），再经周质空间的功能蛋白（A.FCC3、STC； B.ppcA ）和跨膜蛋白（A.MtrA、MtrB、MtrC），最终将电子传递到镶嵌在细胞外膜上的金属还原酶 OmcA（A.）或 OmcB、OmcC（B.）等，最终将电子传递给 Fe(III)，完成铁还原过程；Pi（oC. Rhodopseudomonas palustris TIE-1）和 Mto（D. Sideroxydans lithotrophicus ES-1）途径中，Fe(II)通过细胞外摸和周质空间上的一系列跨膜蛋白（C. PioB、PioA、RC（光合反应中心）；D. MtoB、MtoA、MtoD 和 CymA ），最终传递给胞质膜上的醌池（QH2），从而完成电子传递过程[97]，完成铁氧化过程。Figure 1-4 The proposed Mtr (metal-reducing pathways), Pcc(the porin-cytochrome pathways),Pio(phototrophic iron oxidation pathways) and Mto(metal-oxidizing pathway) extracellular electrontransfer pathway.
本文编号：2803348
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P314;Q938
【图文】：
图 1-2.热泉微生物多样性（OTUs）随温度和 pH 的变化分布图（基于克隆文库和高通量测序数据统计结果）。注：包括美国的 YNP 热泉和 GB，中国云南腾冲和西藏，俄罗斯的堪察加半岛，巴基斯坦，印度[14,38 ,40, 43, 277, 286, 289-290]Figure 1-2. Variation of 16S rRNA-based microbial diversity （OTUs） in response totemperature and pH in hot springs from YNP （12 samples） and GB（4 samples） of USA,Tengcong and Tibetan Plateau in China （66 samples）, Kamchatka of Russia （13 samples），Pakistan （9 samples）, India （4 samples）. The 16S rRNAsequence data were derived from eitherclone library or high-throughput sequencing.然而，热泉中微生物群落结构并未表现出与温度的单一相关性，这种现象表明其它环境变量（如 pH、DOC、TOC 含量等水化学条件）和/或空间因子（如地理距离）共同影响着微生物群落的构成[54, 55]。有关云南腾冲热海热泉中微生物群落组成的研究发现，温度、pH、硫化物含量以及沉积物矿物学特征均会影响热泉环境中的群落组成（Hou et al., 2013）。例如，在酸性高温热泉中（pH：2.5 2.6，85.1 89.1°C）或硫化物含量较高时，Crenarchaeota中的Sulfolobales纲为优势种群；
图 1-3 微生物驱动的铁循环（据文献 Weber 等., 2006 改绘）。（Fe(II)aq：可溶性 Fe(II)，Fe(II)S：固态 Fe(II)）。Figure 1-3 The microbially mediated iron redox cycle.1.4.2.1 热泉铁氧化菌研究进展铁氧化菌（Fe(II)-oxidizing microorganism，FOM ）是指可以在好氧或厌氧条件下，以 Fe(II)为电子受体来获取能量的微生物，主要有四种类型： 1）中性好氧铁氧化菌（Aerobic neutrophilic FOM）；2）嗜酸性好氧铁氧化菌（Aerobic acidophilicFOM）; 3） 厌氧不产氧光合作用铁氧化菌（Anaerobic anoxygenic photosynthesisFOM）; 4）中性厌氧环境下的硝酸盐依赖型铁氧化菌（Anaerobic nitrate-dependentFOM，ANDFOM）[31]。同样作为铁循环的重要部分，人们对于微生物调节的 Fe(II)铁氧化作用的了解比 Fe(III)还原作用晚了大约 10 年的时间，原因是由于铁氧化菌的分离和培养相对较为困难[79]，尤其是 ANDFOM 的重要性在近二十年来才逐渐被重视，该类微生物驱动的铁氧化过程（即 anaerobic nitrate reduction-dependentFe(II) oxidation，ANDFO：10Fe(II) + 2NO-+ 24HO → 10 Fe（OH）+ 18H+ + N）
图 1-4 异化铁还原菌（A、B）和铁氧化菌电子（C、D）传递方式Mtr：金属还原，Pcc：细胞色素蛋白， Pio：光合铁氧化和 Mto：金属氧化。Mtr 途径中（A.Shewanella oneidensis MR-1，B. Geobacter sulfurreducens），电子从胞质膜上的醌池（QH2）传递给细胞色素 A 含铁蛋白（A.CymA；B. ImcH 和 CbcL），再经周质空间的功能蛋白（A.FCC3、STC； B.ppcA ）和跨膜蛋白（A.MtrA、MtrB、MtrC），最终将电子传递到镶嵌在细胞外膜上的金属还原酶 OmcA（A.）或 OmcB、OmcC（B.）等，最终将电子传递给 Fe(III)，完成铁还原过程；Pi（oC. Rhodopseudomonas palustris TIE-1）和 Mto（D. Sideroxydans lithotrophicus ES-1）途径中，Fe(II)通过细胞外摸和周质空间上的一系列跨膜蛋白（C. PioB、PioA、RC（光合反应中心）；D. MtoB、MtoA、MtoD 和 CymA ），最终传递给胞质膜上的醌池（QH2），从而完成电子传递过程[97]，完成铁氧化过程。Figure 1-4 The proposed Mtr (metal-reducing pathways), Pcc(the porin-cytochrome pathways),Pio(phototrophic iron oxidation pathways) and Mto(metal-oxidizing pathway) extracellular electrontransfer pathway.
本文编号：2803348
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