红树林湿地微生物驱动的氮循环新环节的发现与分子机制的研究

Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation (DAMO), which couples the anaerobic oxidation of methane to denitrification, is a recently discovered process mediated by “Candidatus Methylomirabilis oxyfera” linking the carbon and nitrogen cycles. A niche and the role for DAMO bacteria in mangrove sediments have not been confirmed. Based on the molecular evidence for DAMO bacteria in mangrove sediments of Zhangjing River Estuary in our previous studies, the potential of DAMO will be investigated on the whole mangrove wetland scale by using stable isotope measurements, quantitative PCR assays, and M. oxyfera-like bacterial 16S rRNA and pmoA gene clone library analyses. And the mangrove sediments obtained from DAMO hotspots will be used to enrich the prevalent DAMO bacteria in a continuous culture supplied with methane and nitrite. Gene-targeted metagenomic methods will be used to provide better coverage of environmental pmoA sequences and taxonomic analysis of pmoA containing organisms. Finally, molecular ecological networks and co-expression networks will be constructed in mangrove sediment microcosms under different environmental conditions to elucidate the mechanism of DAMO couple with other nitrogen cycle process in mangrove sediments. The results of this study would expand our knowledge of the diversity and distribution of DAMO bacteria in the environment and highlight their potential contribution to nitrogen and methane cycles in mangrove sediment.

最新发现的厌氧甲烷氧化反硝化（Denitrifying Anaerobic Methane Oxidation, DAMO）是以甲烷作为电子供体，还原硝酸盐或亚硝酸盐而脱除氮素的新型生物反应，是补充全球氮循环的一个新环节。本项目以福建红树林湿地为研究区域，以DAMO过程在该区域的发现为突破口，在前期研究的基础上，对红树林沉积环境中DAMO功能微生物的分布、丰度和代谢活性展开全面调查；发掘红树林湿地主导DAMO过程的微生物种群，获得新来源的DAMO富集培养物；引入目标基因宏基因组（GT-Metagenomics）技术，优化指示DAMO功能活性的分子标记物，揭示DAMO功能基因的多样性；并通过微生物生态网络的构建揭示红树林沉积环境中DAMO过程与其他途径的耦合机制。本项目的实施将有助于人们深化对红树林湿地氮素源、汇和转化器功能的认识，为温室气体的减排与氮素污染的处理提供新的思路、依据与对策。

以福建漳江口红树林湿地为研究区域，以氮循环新环节—厌氧甲烷氧化反硝化（DAMO）过程在红树林生态系统中的发现为突破口，对红树林湿地沉积环境中DAMO功能微生物的分布、丰度和代谢活性展开了全面调查，对DAMO反应热点沉积物进行了富集培养，同时探究了DAMO过程与ANAMMOX途径的相互作用，获得以下研究结果：我们的研究发现红树林湿地沉积物中广泛分布有ANAMMOX和N-DAMO微生物，且存在大规模的ANAMMOX和N-DAMO反应，ANAMMOX菌反应热点在深层沉积物，N-DAMO菌反应热点在表层沉积物。我们估算，红树林湿地沉积物中N-DAMO 反应可氧化湿地系统中产生的2%-6%的甲烷气体，是湿地系统被忽视的重要的温室气体甲烷的汇。紧接着，我们以ANAMMOX和N-DAMO反应热点沉积物作为接种物，采用序批式反应器对N-DAMO细菌和Anammox菌进行富集培养。经过长达1000天的富集培养，获得了红树林沉积物来源的Anammox菌与N-DAMO菌共存的富集物，其中N-DAMO培养物中NC10 group B稳定存在，Anammox细菌丰度在添加铵盐后迅速上升。基于宏基因组分箱获得了一个完整度为98.24%的Anammox细菌基因组草图，为 Candidatus Scalindua属的潜在新种，其除了具有Anammox细菌的核心代谢通路之外，还拥有多糖类物质降解、甲酸和乙醇氧化以及丙酮酸发酵产乙酸等途径，这一现象说明红树林富集来源的Anammox细菌具有代谢多样性，具有在某些条件下可以利用碳水化合物进行异养生长的潜力；基因组学层面的代谢网络揭示出绿弯菌门和绿硫菌门的类群在红树林来源的Anammox富集体系中充当着十分重要的角色，它们与Anammox细菌之间存在着一定的代谢依赖性。这些结果让我们有机会重新审视和定位红树林湿地作为氮素的甚至是温室气体的源-汇功能，为全球氮循环模型的升级提供具有区域特色的数据，具有重要理论意义；而N-DAMO细菌和Anammox菌的共富集物的获得将为其在污水处理中的应用奠定基础，具有重要的实践意义。