不同类型冬水田土壤中厌氧甲烷氧化古菌的垂直分布

【目的】厌氧甲烷氧化古菌是厌氧条件下减少甲烷排放的关键微生物,在全球碳素循环中发挥着重要作用,但其在不同类型冬水田土壤中的垂直分布规律尚不清楚。【方法】利用qPCR和16S rRNA测序技术,选择厌氧甲烷氧化古菌的特异性引物DP397F(q)/DP569R(q)和DP142R/DP779R,探究潴育型和潜育型冬水田的耕作层、犁底层和潴育层/潜育层中厌氧甲烷氧化古菌的丰度和生态位分布。【结果】两种类型水稻土中存在大量厌氧甲烷氧化古菌,且古菌丰度值在4.82×106~9.30×107copies/g干土,菌群丰度及其多样性水平均呈现出潴育层/潜育层>犁底层>耕作层。相关性分析表明,两种类型冬水田厌氧甲烷氧化古菌丰度均与pH值呈显著正相关(P<0.05),与SOM、WC和NH4+-N呈显著负相关(P<0.05);厌氧甲烷氧化古菌氧化速率均与SOM、NH4+-N呈显著负相关(P<0.05)。【结论】潴育型冬水田厌氧甲烷氧化古菌多样性高于潜育型冬水田厌氧甲烷氧化古菌多样性,但厌氧甲烷氧化古菌丰度值则相反。两个采样点厌氧甲烷氧化古菌群落结构多样性和丰度值均呈现出随土层深度增加而增加。厌氧甲烷氧化反应在全球甲烷调控和减少海洋和淡水生态系统甲烷释放方面发挥着重要作用,对全球碳素循环具有重要意义。

淡水生态系统中反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的研究进展

反硝化型厌氧甲烷氧化(DAMO)是在淡水生态系统中发现的一种全新的厌氧甲烷氧化途径,偶联了全球碳循环和氮循环,与NC10门细菌、DAMO古菌及厌氧氨氧化菌密切相关。首先介绍DAMO途径在淡水生态系统中的发现及其功能微生物。其次,重点阐述DAMO功能微生物在湖泊、湿地和河流等淡水环境中的研究进展,并对聚合酶链式反应(PCR)、荧光原位杂交(FISH)及高通量测序技术在DAMO功能微生物检测中的应用及发展进行总结与分析。最后,展望DAMO在淡水生态系统中的研究前景。

甲烷厌氧氧化及其微生物特性研究进展

甲烷是一种温室气体,其引起的温室效应是CO2的20倍。微生物通过甲烷厌氧氧化(AOM)可以减少自然环境中该温室气体的排放,对缓解全球温室效应具有重大作用。根据耦联反应的不同,可将AOM分为3类,包括硫酸盐还原型、反硝化型以及铁锰依赖型。系统地介绍了AOM的类型及参与的微生物的特性,并对未来更多的AOM微生物的发现以及机理的研究提出展望,以期为甲烷排放控制和管理提供依据。

甲烷厌氧氧化机理及其应用研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,研究证明甲烷厌氧氧化(AOM)对于降低全球甲烷的排放有着重要意义。参与AOM反应的最终电子受体可分为三类,即SO2–4、NO_2~–/NO_3~–以及以Fe^(3+)、Cr^(5+)等为代表的金属离子。本文基于甲烷厌氧氧化过程所利用的电子受体的差别,结合不同类型AOM反应微生物的基因型分析,阐述了AOM过程的反应机理、相关的微生物种类及其代谢途径。其中对AAA(AOM-associated archaea,属于ANME-2d)的分离培养,以及其利用硝酸盐、Fe^(3+)、Cr^(5+)等离子氧化甲烷的研究对认识AOM反应机理和AOM的实际应用有很大推动作用。本文还介绍了AOM过程在环境污染控制领域实际应用中的最新研究进展,对AOM的实际应用及其在节能减排上的价值进行展望。AOM过程的进一步研究对拓宽该过程的工程应用以及对正确认识全球碳、氮、硫循环均有着重要意义。

水生生态系统中金属依赖型甲烷厌氧氧化过程的研究进展

甲烷是一种比CO2更活跃的温室气体,微生物驱动的甲烷厌氧氧化(anaerobicoxidationof methane,AOM)过程对于降低全球甲烷的排放有着重要意义。参与AOM反应的最终电子受体主要分为三类,即硫酸盐、亚硝酸盐/硝酸盐以及以Fe(III)、Mn(IV)等为代表的金属离子。可溶性金属物质和不溶性金属矿物都可以被用作AOM的电子受体,这大大提高了参与金属依赖型甲烷厌氧氧化(metal-dependent anaerobic oxidation of methane,Metal-AOM)微生物的生态价值。目前研究聚焦在功能菌群、生态分布等方面。部分甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)具有直接或间接参与Metal-AOM过程的能力。但由于功能菌群纯化富集和分离具有一定难度,有关其生理生化和生态学等特征的研究受到限制。同时,随着Metal-AOM被发现存在于不同水生生境中,其在污染治理领域的应用也被广泛讨论,但是河口生境尚缺乏深入研究。本文从Metal-AOM的发现入手,阐述了参与该过程的主要微生物及其在水域环境下的生态分布,并介绍了Metal-AOM的反应机制和在实际应用中的机遇与挑战。最后,根据现有研究结果,提出对功能菌群、机制及环保应用的研究展望,包括微生物分离纯化和影响因素、菌群代谢活性和作用机制的解析以及新型生产工艺的设计和发展应用,以期为今后的环境污染治理和工业应用提供借鉴意义。

甲烷代谢古菌分离培养研究进展

全球变暖是全人类面临的一个巨大挑战,而温室气体排放持续上升是全球变暖的关键因素,并引发一系列生态环境问题。甲烷是第二温室气体,对全球变暖的贡献达20%。然而,在甲烷代谢中发挥重要作用的产甲烷古菌和厌氧甲烷氧化古菌(anaerobic methanotroph,ANME)较难培养,极大地限制了人们对甲烷代谢及其影响碳源-汇关系与机制的研究。本文综述了最新产甲烷古菌和ANME富集、分离和培养方法,包括富集培养、原位培养、共培养、微流控技术、稀释分离和固体分离技术、ANME反应器和培养瓶富集培养,以及宏基因组预测和反向基因组学,并对这些方法的优缺点进行了评估,对未来甲烷代谢古菌的富集、分离和培养提出新的建议。

南海北部海马冷泉区表层沉积物的AOM生物标志化合物特征及意义

选取采自南海天然气水合物赋存区海马冷泉,管状蠕虫区(ROV06站位)和贻贝区(HM101站位)的2个表层沉积物柱状样品,提取其中的生物标志化合物,对其种类和稳定碳同位素进行了测定,用以探讨海底表层沉积物中的有机质来源、微生物种群分布及其对冷泉渗漏活动的响应特征.两个站位的沉积物中均发现了大量与甲烷厌氧氧化古菌(ANME)有关的生物标志物,如2,6,11,15‐四甲基十六烷(crocetane)、2,6,10,15,19‐五甲基二十烷(PMI)等类异戊二烯烃,古醇(archaeol)、sn2‐羟基古醇(sn2‐OH‐Ar)等,以及来源于硫酸盐还原菌(SRB)的异构/反异构脂肪酸iso‐C_(15)和ai‐C_(15)等.这些生物标志物均具有极低的碳同位素特征(古菌生标δ^(13)C值低至−126‰,硫酸盐还原菌生标δ^(13)C值低至‐89‰),表明沉积物中发生了甲烷厌氧氧化作用(AOM).ROV06和HM101站位沉积物中均检测到了crocetane,大多数sn2‐羟基古醇/古醇大于1,同时ai‐C_(15)/iso⁃C_(15)脂肪酸比值小于2,这说明两个站位沉积物中的甲烷厌氧氧化古菌主要以ANME‐2/DSS为主,指示甲烷渗漏强度较强.ROV06站位的表层沉积物含有crocetane,但sn2‐羟基古醇/古醇小于1,且ai‐C_(15)/iso⁃C_(15)脂肪酸比值大于2.1,指示了ANME‐1/DSS和ANME‐2/DSS混合存在的种群特征,说明ROV06站位顶部甲烷渗漏强度有减小的趋势.根据古菌种群ANME‐2化合物对甲烷的碳同位素分馏(Δ:−50‰)及古菌生物标志物(PMI、古醇、sn2‐羟基古醇)的平均δ^(13)C值,计算得到甲烷δ^(13)C值(−58‰~−53‰),显示甲烷为热成因和生物成因混合气.虽然ROV06和HM101站位的甲烷具有相近的δ^(13)C值,但ROV06站位的SRB生物标志物比HM101站位要更加亏损^(13)C(Δδ^(13)C:18‰),这可能与管状蠕虫的共生菌(硫氧化菌)吸收硫化物并释放出硫酸盐有关,因为其不断释放出的硫酸盐很可能极大地增强了甲烷厌氧氧化作用,使沉积物中含有更多^(13)C亏损的无机碳.

莫克兰冷泉区沉积物原核微生物群落组成及其环境响应

【目的】冷泉系统广泛存在于大陆边缘地区,其典型特征是在海底渗漏出大量富含以甲烷为主的碳氢化合物和硫化氢等成分的低温流体。冷泉也因其独特的地球化学条件孕育着独特的原核微生物群落结构,然而,原核微生物组成与冷泉环境之间的响应关系却并不清楚。【方法】本文以莫克兰大陆边缘活跃冷泉区沉积物柱状样为研究对象,沿深度剖面分析了沉积物中的CH4以及孔隙水SO42–、H2S浓度等关键地球化学参数,并基于16S rRNA基因高通量测序对冷泉沉积物原核微生物的群落结构及其空间变化进行了系统分析。【结果】根据其硫酸盐-甲烷浓度剖面特征,从上向下,将沉积物垂向剖面划分为硫酸盐还原区(SZ)、硫酸盐-甲烷转换区(SMTZ)和产甲烷区(MZ)。通过原核微生物α多样性与基因定量研究发现,随着深度增加微生物多样性与丰度呈逐渐降低的趋势。16SrRNA基因高通量测序结果表明,SZ中以硫氧化细菌γ-变形菌纲、α-变形菌纲和埃普西隆杆菌门为主,且以硫酸盐为电子受体的与有机质降解相关的原核微生物JS1、绿弯菌门、洛基古菌纲、深古菌纲及底栖古菌纲的相对含量也较高;SMTZ存在较高含量的ANME-1a、ANME-1b与SEEP-SRB1,它们耦合介导着硫酸盐还原和甲烷厌氧氧化(SR-AOM)过程。此外,深古菌纲及绿弯菌门的普遍存在说明,除甲烷外,沉积物中还可能存在其他烃类化合物。【结论】通过对莫克兰大陆边缘冷泉渗漏区沉积物中原核微生物群落结构的研究,发现细菌和古菌群落组成与冷泉系统独特的地球化学环境具有密切的联系。