盐沼湿地微生物驱动的甲烷厌氧氧化与氧化亚氮还原耦合机制

Anaerobic methane oxidation driven by microorganisms can mitigate climate warming to some extent. Recent studies have shown that the anaerobic methane oxidation can be coupled with the nitrous oxide reduction, which not only connects the carbon and nitrogen cycles, but also reduces the emissions of methane and nitrous oxide. Salt marsh is an important source of these two greenhouse gases, but the coupling mechanisms of anaerobic methane oxidation and nitrous oxide reduction and its functional microbes in salt marsh are still unknown. To better understand the coupling mechanisms of anaerobic methane oxidation and nitrous oxide reduction, this project focuses on its functional microbes in sediments of three typical salt marshes (bare flat as control, native Cyperus malaccensis and invasive Spartina alterniflora) in Pearl River Estuary. We will analyze the composition and abundance of functional microbial communities through functional gene amplicon sequencing and quantitative PCR, then determine the vertical distribution of functional microbial communities. We will measure the reaction rates of sediments by stable isotope tracer method. Then we will determine the hotspots of this process (high microbial abundance, fast reaction rate) and its key environmental factors by combining the results of microbial community distribution and reaction rates. We will also obtain functional microorganisms by enrichment the hotspot samples, analyze their metabolic pathways through metagenomic and metatranscriptomic sequencing, and revealing the coupling mechanisms of methane anaerobic oxidation and nitrous oxide reduction. This will extend the theories of carbon and nitrogen cycling, and provide theoretical basis for reducing methane emissions and dealing with climate change.

微生物驱动的甲烷厌氧氧化能在一定程度上减缓气候变暖，最新研究发现甲烷厌氧氧化还可与氧化亚氮还原耦合，此过程不仅连接碳循环和氮循环，而且能减少甲烷和氧化亚氮排放，但目前甲烷厌氧氧化与氧化亚氮还原耦合机制及其功能微生物尚不清楚。盐沼湿地是甲烷和氧化亚氮的重要排放源，本项目拟以珠江口典型盐沼湿地沉积物为研究对象，通过功能基因扩增子测序和定量PCR解析甲烷厌氧氧化与氧化亚氮还原耦合微生物的群落组成、丰度及在沉积物中的垂直分布规律，结合稳定同位素示踪测定反应速率，确定此过程在沉积物中的反应热点，并结合理化分析揭示该过程的环境调控因子；对反应热点样品的甲烷厌氧氧化与氧化亚氮还原耦合功能微生物进行富集培养，通过宏基因组和宏转录组测序解析功能微生物的代谢通路，从而揭示甲烷厌氧氧化与氧化亚氮还原耦合机制。这将丰富碳氮循环相关理论体系，并可为减少甲烷排放和应对气候变化提供理论依据。

微生物群落的构建过程及其潜在机制是微生物生态学的一个重要课题。滨海湿地是一个重要的蓝色碳汇，微生物在其生物地球化学循环和能量转换中起着关键作用。然而，影响滨海湿地沉积物中细菌和古菌群落结构和构建过程的驱动因素尚不清楚。在这里，我们通过对16S rRNA基因进行扩增子测序，研究了近岸到近海的沉积物中细菌和古菌群落的多样性、网络结构、组装过程和环境驱动因素。细菌和古菌群落的α-和β-多样性在近海样地间一般没有显著变化（P<0.05），但在近岸样地间变化显著（P<0.05）。沉积物pH值和盐度对细菌和古菌群落的多样性和关键种有显著影响。本研究通过扩增子测序和 qPCR ，分析了光滩、互花米草、短叶茳芏、秋茄和无瓣海桑沉积物中的产甲烷、甲烷氧化、NC10 和 ANME-2d 微生物群落。与红树林沉积物相比，盐沼沉积物中的产甲烷和甲烷氧化微生物群落多样性较高。不同类型的滨海湿地生态系统的产甲烷菌和甲烷氧化菌微生物群落的结构和组成存在差异。这些结果表明不同的滨海湿地具有不同的甲烷循环微生物群落，可能会影响它们的甲烷产量。盐度、甲烷含量、TC 和含水量是影响产甲烷、甲烷氧化、NC10 和 ANME-2d 微生物群落的重要环境因子。我们通过宏基因组测序比较了红树林和盐沼沉积物之间微生物介导的甲烷、氮和硫循环过程。与红树林沉积物相比，盐沼沉积物中甲烷循环微生物组的功能多样性更高，参与氢营养型产甲烷、固氮和硫还原基因家族的相对丰度更高。同时，盐沼和红树林不同树种沉积物中的微生物组表现出不同的功能图谱。与本地物种相比，盐沼和红树林的外来物种的反硝化基因相对丰度和硫循环基因的多样性更高。此外，秋茄沉积物的产甲烷和甲烷厌氧氧化基因丰度高于无瓣海桑沉积物。本研究为理解滨海湿地生态系统中甲烷、氮和硫循环过程中提供了新的认识，对滨海湿地生态系统功能的评估具有重要指导意义。