蓝藻水华生物质厌氧分解过程中梭菌的功能研究

The transformation and environmental fate of the available organic biomass is pivotal for the biogeochemical cycle of shallow eutrophic lakes after the formation of cyanobacterial blooms. Prokaryotes (i.e. bacteria) are the major participants during the decomposition and mineralization of the cyanobacterial biomass. In the field, anaerobic degradation is likely to be the main pathway for the material transformation of cyanobacterial biomass. The functional role of dominant population Clostridium is not clear. The Clostridium population structure and the phylogenetic diversity during the degradation will be firstly elucidated by the filed monitoring and the enclosure experiment added various blooms biomass. The representative 13C stable isotope substrates will be added to stimulate the main degradation stages under different temperatures. Clostridium functional groups will be identified by their carbon source niches and the phylogenetic diversity of each group will be analyzed by pyrosequencing. The impact of temperature changes on the structure of functional groups will be evaluated by species abundance models. Furthermore, the physiological tests and the genomic sequencing will be applied to the pectin fermenting Clostridium strains after their isolation and purification. Based on the metabolic characteristics and genome annotation, we will try to reconstruct the pathway of metabolizing pectin to H2/CO2 and to explore the induction way of pectin fermentation to methane production. The obtained results will help us to better understand the functional role of Clostridium during the anaerobic degradation and mineralization of cyanobacterial biomass, and will contribute to the knowledge of organic carbon cycling and microbial mechanism in eutrophic lakes which initiated by cyanobacterial abnormal proliferation.

富营养化湖泊蓝藻水华暴发后，藻源性生物质的分解转化极有可能发生在厌氧环境中；细菌等原核生物是其分解及矿化的主要驱动者，而优势种群梭菌在这一过程中的作用尚不清楚。本研究拟通过对水华暴发后的现场监测和对原位围隔不同水华强度的模拟实验，明确蓝藻分解过程中梭菌的基因多样性和时空变化规律；通过不同温度下代表有机质关键分解阶段的稳定同位素13C标记实验，揭示梭菌在藻源性生物质转化中主要的碳源代谢功能以及功能群组成对温度变化的适应机制；以此为基础，分离纯化能够分解蓝藻水华生物质主要成分果胶的梭菌菌株，结合生理生化特征分析和基因组学研究，阐明其利用果胶生产H2/CO2的代谢途径和对产甲烷过程的促进机制。上述研究的开展将揭示梭菌在蓝藻水华生物质厌氧分解以及矿化过程中的功能，获得的结果将为阐明蓝藻水华驱动下的湖泊生态系统有机碳的循环过程及其机制提供科学依据。

研究背景：.湖泊富营养化所导致的蓝藻水华频繁暴发，严重削弱了湖泊的生态功能，其中以长江流域的太湖、巢湖和滇池等湖泊最为突出。对于参与蓝藻水华分解转化的微生物群落结构和功能的研究，是认识该类型湖泊物质循环过程的重要环节。.主要研究内容：.本研究通过对水华暴发后的现场监测和模拟不同水华强度的原位围隔实验，明确蓝藻分解过程中梭菌的基因多样性和时空变化规律；通过模拟蓝藻分解的室内控制实验，揭示梭菌分解藻源性生物质的主要功能群和代谢途径；以此为基础，通过大规模分离培养纯化获得能够分解蓝藻水华生物质的微生物菌株，结合生理生化特征分析和基因组学研究，阐明其利用藻源性有机质的关键途径和对氢型产甲烷过程可能的促进机制。.重要结果：.1、.发现蓝藻水华分解过程中存在多个全新的梭菌类群。温度是驱动其种群结构随时间变化的主要因素。蓝藻在水体和沉积物中分解，参与的梭菌类群存在显著差异。.2、.首次揭示蓝藻水华厌氧分解过程，存在多个微生物功能群Clostridiaceae, Rhodocyclaceae, Rikenellaceae, Peptostrepcoccaceae, Syntrophomonadaceae, Lachnospiraceae和Methanosarcinaceae的持续演替过程。网络分析结果表明，蓝藻分解导致微生物功能类群组成由随机过程趋向于确定性过程。.3、.分离纯培养获得大量梭菌和异养细菌菌株，对多个新种进行了多相分类学鉴定。通过全基因组测序，揭示梭菌代谢复杂有机质的通路，阐明其与共存的氢营养型产甲烷菌之间存在的代谢偶联。.4、.通过开展硅藻分解过程中极地杆菌功能的类比研究，揭示微生物参与藻源性有机质分解转化的普遍规律。.关键数据：.1、参与蓝藻分解的微生物群落组成信息；.2、参与蓝藻分解的梭菌新种多项分类学特征和基因组信息；.3、微生物分解藻源性有机质的代谢通路。.科学意义：.通过开展蓝藻水华生物质厌氧分解过程中梭菌的功能研究，阐明梭菌在藻源性有机质分解和矿化产甲烷过程中的作用。获得的结果将有助于深入认识微生物参与的蓝藻水华生物质转化的生态过程。此外，关键功能基因和代谢途径的研究，对于蓝藻水华生物质有效资源化具有重要的指导意义。