渤海及其入海河流沉积物中铁还原菌电活性及产甲烷菌多样性的研究

发布时间：2020-09-02 12:01

　　甲烷是一种重要的温室气体,可以由产甲烷菌产生,滨海河流沉积物是其重要的潜在来源。传统观念认为,铁氧化物能够与产甲烷过程竞争电子,从而抑制甲烷产生。本研究团队前期的工作显示,在异化铁还原菌存在并适合胞外电子传递发生的条件下,可以种间通过直接电子传递的方式促进甲烷产生。因此,揭示该区域内铁还原菌多样性及其电活性、产甲烷菌多样性及其产甲烷类型,并尝试解析铁氧化物转化过程对甲烷产生过程的影响,对于评估河海交互区域温室气体排放潜力,阐明生物地球化学碳、铁耦合循环具有至关重要的科学意义。本研究以受人为活动影响明显的渤海及其入海河流沉积物为研究对象,分析了滨海河流不同区域的沉积物中铁还原菌的多样性,并分离得到一株新的具有电活性的铁还原菌;揭示了铁氧化物在厌氧产甲烷条件下的转化规律;解析了渤海不同断面沉积物中产甲烷菌的空间分布规律,以及由河到海空间与盐度梯度条件下产甲烷菌多样性与产甲烷类型的变化规律。在研究过程中获得的主要结论如下:1、通过对滨海河流沉积物中电活性铁还原微生物的研究,结果发现界河沉积物Jh2、Jh3样品具有明显的铁还原活性;克隆文库表明两个位点具有特征性的铁还原细菌群落结构,Jh2样品中铁还原菌主要以Geobacter sp.为主;而Jh3样品中铁还原菌主要以Clostridium sp.为主;并在滨海河流沉积物中,分离得到了一株具有电活性的铁还原菌(JhA)。以上结果拓展了对于Anaerosinus sp.这一新菌种电活性的认识;同时,环境中新分离得到具有电活性的铁还原微生物,将为重金属环境修复提供菌株来源,具有潜在的应用价值。2、通过对磁铁矿在滨海河流沉积物产甲烷体系中产生与转化的研究,发现了该体系内含有铁还原微生物与产甲烷菌。其中,铁还原微生物在无定形铁存在情况下,与产甲烷菌竞争电子,从而抑制甲烷产生;但随着无定形铁转化为磁铁矿,产甲烷体系中具备了磁铁矿介导的胞外电子传递条件,从而促进了甲烷产生;而磁铁矿本身也可以作为电子受体,被铁还原菌还原竞争电子,抑制了前期甲烷产生。研究结果揭示了产甲烷菌群中磁铁矿的产生和转化对其中铁还原菌和产甲烷古菌间电子传递过程的影响。3、通过对渤海不同海域沉积物中微生物群落多样性与产甲烷潜力的研究表明,海底沉积物中微生物T-RFs片段相近,但其群落在空间分布上存在差异;沉积物中可提取态总铁对细菌群落结构具有显著影响,但未有显著影响古菌群落的环境因子;样品中脱硫弧菌(Desulfovibrio)和硫杆菌属(Thiobacillus)是主要优势细菌,甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)是主要优势古菌;富集过程中不同区域沉积物样品产甲烷量不同,表现为近岸样品产甲烷量较高。由以上结果推测,渤海沉积物中细菌尤其是与铁循环相关细菌可能是影响产甲烷潜力的重要因素;同时,人为活动,如水产养殖,污水排放等造成的有机物输入,可能增加了近海区域甲烷排放潜力。4、通过对渤海及其入海河流沉积物中产甲烷菌多样性的研究,结果发现由河到海过程中产甲烷菌多样性降低,且营养类型由复杂到单一;河海环境中甲基营养型产甲烷菌存在差异性,渤海中以甲烷类球菌属(Methanococcoides)为主,而黄河以甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)为主;在海水富集培养过程中海洋样品仍以Methanosarcina为主,而河流样品却以未在原位样品中检测到的甲烷叶菌属(Methanolobus)为主,该结果说明,渤海沉积物中产甲烷菌并非主要来源于黄河。同时,在河海环境中均分离得到梅氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina mazei),说明该菌种具有良好的环境适应性,而且可能是滨海环境中重要的产甲烷菌与碳循环参与者。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X172
【部分图文】：

界河,位点

概况及样品采集况重要内海（图2.2），其受人为活动影响明显佩，2010）。一方面，入海河流界河（图大的金矿—招远金矿（Ning et al., 2011）。的矿山废水注入界河中，随着河流行进与微量元素，特别是河流中大量的可溶性二014），但其中的铁还原菌作用并不明确。量最丰富（图2.2），泥沙携带量最大的河流响，针对由河到海过程中产甲烷菌的空间分解甲烷菌的海水适应性与产甲烷类型关系

渤海沉积物,黄河,位点,样品

第 2 章材料方法河口沉积物样品采集于招远界河流域，沿河流经方向采集三个不同样Jh1、Jh2 和 Jh3，图 2.1）；在黄河流经区域根据与入海口的距离，分别选取物 3 个位点（YR-1、YR-2、YR-3，图 2.2），河流 3 个位点取样重复 3 次；渤海不同区域沉积物（图 2.2）：黄河河口附近区域（BHB），由渤海湾至辽横贯渤海中部区域 M），渤海与黄海交汇区域（E）。采集到合适的沉积物样速去除其中的大颗粒杂质，如石头、树叶等，然后进行均匀混合，并立即放样冰盒内带回实验室。

16SrRNA基因,系统发育树,细菌,参考序列

第 3 章滨海河口沉积物中电活性铁还原菌为进一步探究克隆文库中与铁还原相关的克隆组成，选择有代表性16SrRNA序列构建系统发育树，如图3.3所示。其中，地杆菌科（Geobacteraceae）与梭菌科（Clostridiaceae）是所有细菌中两个重要组成部分，具有最高同源性的一些参考序列来源相同。全噬菌科（Holophagaceae）与红环菌科（Rhodocyclaceae）有相同的参考序列。

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