西南地区岩溶生态系统中自养固碳微生物种群及功能研究

This project focuses on the carbon cycle and carbon sink in the karst ecosystem, which is a hotspot in global carbon cycle. The soil and underground water samples used in this study come from a typical karst ecosystem in Southwest China. The community structure and activity of autotrophic microbes in soils and water samples will be investigated by high throughput sequencing of DNA and mRNA of cbbL and cbbM genes; Meanwhile, measurement of phototrophic carbon fixation capability of soil microbes will be conducted in situ and in the microcosms, so as to detect the influence of autotrophic carbon fixation on the erosion of carbonate, and measure the utilization of DIC derived from carbonate by autotrophic microbes. Finally, the relationship between the composition, abundance, activity of autotrophic microbe (in both soil and underground water) and the environmental parameters will be determined. Eventually, this study will shed important light on the role of autotrophic microbes in carbon cycle and carbon sink in the karst ecosystem.

本研究立足于对全球碳循环研究非常重要的一个方面——喀斯特地区的碳循环和碳汇问题，研究西南典型喀斯特地区土壤中的自养微生物种群动态和固碳潜力，自养固碳对土壤有机碳的贡献和对岩溶作用的影响，以及自养固碳过程的岩溶碳汇效应；同时分析喀斯特地区岩溶地下水中自养微生物的种群组成和活性对地下水理化因素的响应，以及自养固碳微生物种群的固碳潜力。本研究采用碳的稳定同位素技术和微生物自养固碳功能基因（cbbL和cbbM）及其转录子的高通量测序技术相结合，以及原位通量测定和实验室培养实验相结合的方法，全面系统的对喀斯特地区土壤和地下水中自养固碳功能类群的种群组成、数量和代谢活性，及其环境响应规律和受控机制进行研究。这一工作将为明确自养微生物在喀斯特生态系统碳循环和岩溶碳汇中的作用提供重要基础数据。

近年来，微生物自养固碳对生态系统碳循环的重要贡献越来越受到关注，但它们在喀斯特生态系统中的作用目前还不清楚。本研究利用13C稳定同位素标记技术与宏全基因组高通量测序等技术，对西南喀斯特地区典型生境中自养固碳微生物的种群及功能进行了研究。在四种不同利用方式的土壤（草地、灌木地、玉米地、荒地）的研究表明，植被的恢复能有力的促进土壤自养微生物的固碳潜力，土地利用方式的变化极大影响自养固碳功能微生物的活性，硝化微生物是重要的自养微生物类群。草地的自养固碳效率最高而荒地最低，光照情况下自养固碳速率要远高于黑暗条件下。13C-CO2经过土壤微生物的同化会被转化到土壤有机质的烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羰基碳等组分中，可能形成长久的稳定有机碳库。喀斯特土壤自养固碳微生物种群和固碳速率与土壤有机碳、溶解态有机碳、总氮含量，以及与固碳途径的基因丰度和物种组成都显著相关。同时，喀斯特地区梯级水库沉积物在黑暗条件下微生物化能自养固碳速率（DCF）在1.5 ~ 14.7 mmol C m-2 d-1之间，DCF与表层沉积物有机质矿化速率的比值范围为11.6%~60.9%。对卡尔文本森循环固碳途径中的cbbL和cbbM基因的高通量测序分析显示，含有cbbL基因的自养固碳细菌涵盖了多种功能种群，而含有cbbM基因的细菌大部分只与硫氧化菌相关。具有较长的水力停留时间（HRT）并位于上游的水库，其沉积物具有显著较高的DCF速率，且cbbL和cbbM基因种群也与其它水库差异较大。我们的结果显示，化能自养过程在梯级水库沉积物碳循环中起到了重要作用。同时，HRT与水库相对位置是梯级水库DCF与自养微生物群落组成的关键控制因素。本项目的研究揭示了自养固碳微生物在喀斯特地区各代表性生境碳循环中的重要性，并明确了这些生境中自养微生物的种群和活性的控制因素。