稳定碳同位素分馏系数和示踪技术揭示滨海河口产甲烷古菌多样性及代谢途径

Methanogens not only directly involve in the production of greenhouse gases, but also are essential in the structure and function of soil ecosystems. Coastal estuaries, as important methane sources, with typical primordial, vulnerability, and rarity and the unique properties of both sea and land are the most active ecotone, which have the most frequent interaction with human activities. However, the methanogenic pathways and key methanogenic microbes are still unclear in these areas. Here Bohai typical estuarine and Yellow River Delta wetlands are selected as the research area, and In situ analysis of microbial community structure and anaerobic culture in the laboratory will be performed in parallel. Methane, CO2, H2, and organic acids will be determined with GC and/or HPLC for calculating of stable carbon isotope fractionation factor and thus speculating the methanogenic pathway after 13C-labeled acetate or CO2 added. With the T-RFLP based on stable isotope probing (SIP) and Mi-seq high-throughput sequencing technology, active methanogenic archaea species category will be revealed, and then the key functional genes as the candidate markers will be defined. This project will not only give us the data of methanogenic archaea community structure and function of coastal estuaries under the background of global change, but provide the theoretical basis for optimal management and sustainable soil use of coastal soil ecosystems.

产甲烷菌不仅直接参与温室气体的产生，而且在土壤生态系统的结构和功能中起着极为重要的作用。滨海河口具有典型的原生性、脆弱性和稀有性，还具有独特的陆海两种属性，是与人类活动相互作用最频繁、最活跃的生态过渡带，也是非常重要的甲烷产生地，但其产甲烷途径和关键产甲烷菌种类却尚不明确。本项目将选取环渤海典型河口和黄河三角洲滨海湿地为研究对象，以原位微生物群落结构分析和实验室厌氧培养相结合，通过添加13C标记的乙酸或CO2，利用GC和HPLC等技术检测培养体系中CH4、CO2、H2和有机酸，计算稳定碳同位素的分馏系数进而推测可能的产甲烷途径。借助基于稳定同位素示踪（SIP）的T-RFLP及Mi-seq高通量测序技术揭示活跃的产甲烷古菌种类，进而明确其关键功能基因，作为候选分子标记。研究结果不仅可解析全球变化背景下滨海河口产甲烷菌群的结构和功能，也将为滨海土壤生态系统的优化管理和可持续利用提供理论基础。

滨海河口是重要的甲烷源，具有丰富的产甲烷古菌。但是哪些产甲烷古菌显著贡献了甲烷的产生和排放还不清楚，特别是哪些产甲烷古菌可以通过协作模式与其他微生物协同完成产甲烷过程是值得研究的科学问题。基于本项目的支持，主要开展了以下研究并取得了重要的研究成果。a. 研究了不同产甲烷菌由河到海过程中的营养策略，研究显示不同产甲烷菌在河流-海洋梯度上的分布明显不同，这有助于了解产甲烷菌的适应策略和生存机制。b.导电磁铁矿对湿地甲烷产生过程的影响。研究发现导电磁铁矿可在小时级别促进乙酸互营氧化偶联的二氧化碳还原产甲烷过程。c. 滨海河口和湿地电微生物驱动的矿物转化及对产甲烷的影响。研究发现电微生物可将不导电的三价铁矿物转化成导电的磁铁矿进而加速电子传递偶联的二氧化碳还原产甲烷过程。d.导电材料对黄河三角洲湿地土壤和人工厌氧系统乙酸营养型产甲烷途径的影响。导电材料，如碳布、生物炭和活性炭，不仅影响二氧化碳还原产甲烷同时可加速乙酸营养型产甲烷过程。e. 大气氮沉降对黄河三角洲滨海湿地甲烷排放的影响。研究显示硝态氮在淹水期促进甲烷排放，非淹水期抑制甲烷排放，铵态氮全年可促进甲烷排放。研究成果有利于我们认识滨海湿地甲烷排放对氮沉降增加和间歇性淹水的响应机制，并为准确预测氮沉降增加情景下滨海湿地甲烷的源汇强度提供理论支撑。f 水铁矿对湿地土壤和人工系统产甲烷前体，氢气和乙酸，的影响。结果显示水铁矿可显著富集梭菌，改变底物的代谢通路，提高氢气和乙酸的积累。g. 活性炭和磁铁矿对滨海湿地地杆菌共生体系中电子传递机制影响的比较转录组学研究。添加活性炭和纳米磁铁矿的条件下，均加快共生代谢。两种物质对电子供体菌的影响一致，而对受体菌的影响却略有不同。基于本项目的开展，研究成果为更深入地认识河口湿地产甲烷古菌种类及其与其他微生物的互营过程提供了支撑。