高温热泉嗜热微生物对非甲烷短链气态烷烃厌氧氧化潜力的研究

Deep biosphere and deep carbon cycling are the critical components of global carbon cycling. Considerable amount of non-methane short chain alkanes (SCAs) migrate from deep to surface, which may support microbial heterotrophic metabolism. However, little is known about the functional microbiome that are able to anaerobically oxidize non-methane SCAs and their metabolic mechanism. A growing research attention has been focused on deep marine environments and it is found that potential anaerobic non-methane oxidizers are mainly affiliated to sulfate-reducing bacteria or form syntrophy system with sulfate-reducing bacteria. Terrestrial high-temperature hot springs are an analogue to subsurface for studying anaerobic oxidation of non-methane SCAs for that they are in similar extreme conditions of high temperature and anoxic. While active sulfate reducing process are occurring in these hot springs. Therefore, an integrated approach of biogeochemistry, molecular ecology and stable isotopic probing is employed to identify the core functional microbiome involved in degrading non-methane SCAs in Tengchong hot springs and the substrate preference for thermophiles, as well as the kinetics of anaerobic non-methane SCAs oxidation and sulfate reduction processes. Results will provide preliminary evidences for coupling mechanisms between microbial anaerobic non-methane SCAs oxidation and sulfate reduction in hot springs. Finally, this study will also provide insights into the potential of deep biosphere on non-methane SCAs degradation.

深部生物圈和深部碳循环是全球碳循环中的重要组成部分。地球深部储量巨大的非甲烷短链气态烷烃为深部微生物异养代谢提供了物质基础，但对能够厌氧氧化非甲烷短链气态烷烃的微生物功能群及其代谢途径知之甚少。目前研究大多集中在深海，已有的证据表明非甲烷短链气态烷烃厌氧氧化菌群或是属于硫酸盐还原菌，或是与其形成共生体系。陆地高温热泉系统有着与深部相似的极端条件：高温和缺氧，作为深部碳向地表喷发的途径之一，其中存在着活跃的生物硫酸盐还原过程，是研究陆地高温环境非甲烷短链气态烷烃厌氧氧化的理想场所。本项目拟通过生物地球化学、分子生物学、稳定同位素标记相结合的手段鉴定云南腾冲高温热泉中参与非甲烷短链气态烷烃氧化过程的核心功能菌群，以及高温菌群对不同类型短链气态烷烃的氧化动力学特征及偏好性，初步探讨非甲烷短链气态烷烃氧化过程与硫酸盐还原过程的耦连机制，为探究地下深部极端微生物对非甲烷短链气态烷烃异养代谢提供借鉴。

陆地热泉多样的水化学类型、变化的温度及pH、丰富的矿物元素等都可成为微生物群落塑造的驱动力，同时陆地高温热泉和地下深部同样都是高温缺氧极端环境的典型代表，这样的极端条件容易激发微生物的特殊代谢能力。本项目以云南西南部腾冲火山型高温热泉中的嗜热微生物为研究对象，研究其群落构建过程及对短链烷烃的厌氧氧化潜力，具体结果如下：1）通过加入不同电子受体和不同烷烃气体的厌氧培养，发现碱性高温热泉和酸性中温热泉对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的降解趋势有差异，同时电子受体的消耗趋势在两类热泉中也不相同，反映了热泉嗜热微生物对短链气态烷烃的厌氧氧化的偏好性受到本源微生物生理生化及原位环境条件差异的影响。在其中一些微宇宙体系中，培养后期富集了深古菌门和热源体目的未知古菌；2）利用细胞内融合基因技术串联16S rRNA与dsrAB基因，发现热泉沉积物中硫酸盐还原菌主要分布于变形菌门和拟杆菌门，且季节性变化小于整体微生物群落；3）原位环境条件的差异除了来自于温度和pH外，矿物类型在决定微生物可利用的电子供受体方面起到关键作用，基于微生物群落的生态过程分解和互作网络构建以及矿物原位培养实验，探明并验证了矿物会选择性富集热泉水中的古菌和稀有类群，为进一步提升热泉暗物质的可培养性提供了新思路，并且发现物种互作也促进了群落的确定性构建过程。这些发现揭示了矿物和物种对嗜热微生物群落构建的贡献并证实了嗜热微生物对短链烷烃的厌氧氧化潜力，为窥探深部生物圈中微生物群落构建调控机制及特殊代谢能力提供了借鉴。