滨海湿地甲烷产生过程中的微生物种间电子传递机制

Element cycling driven by microorganisms is an important link of material circulation and energy exchange between the hydrosphere and other circles. The mechanism of "Electro-Methanogenesis" found by the applicant, is based on the direct microbial interspecies electron transfer between electro-active bacteria and the methanogenic archaea is a milestone in recent years. Wetland is the largest natural source of methane production. The mechanism of microbial interspecies electron transfer is not clear in the process of methanogenesis. This project will select the coastal wetlands as the research object to detect the situ community of bacteria and methanogenic archaea by using the third generation high-throughput sequencing technology. The "methanogenic microbial aggregates" will be obtained by enrichment in laboratory and the effect of different conductive materials on methane production will also be discussed in this project. The contribution of DIET for methanogenesis will be evaluated by detecting the situ methane flux and methane isotopic composition by static chamber method combining with the methane concentration and isotopic composition of pore water in wetlands. The studies on the model of the "microbiome" of interspecies electron transfer in wetlands and the mechanism of the electron transfer between bacteria and methanogenic archaea have the characteristics of microbiology and geosciences. On the basis of functional microbial group, the mechanism of the microbial interspecies electron transfer will be revealed from the perspective of molecular mechanism of energy metabolism in the process of methanogenesis in coastal wetlands, which is a potential significant mechanism innovation.

微生物驱动的元素循环，是水圈与各圈层之间物质循环和能量交换的重要纽带。微生物种间直接电子传递(DIET)，尤其是申请人发现的产电细菌与产甲烷古菌之间的“电甲烷产生”机制是近年来的重要发现。湿地是最大的甲烷自然源，然而湿地甲烷产生过程中的微生物种间电子传递机制却尚不明确。本项目拟选取滨海湿地为研究对象，第三代高通量测序检测产电细菌和产甲烷古菌种类。实验室富集培养后获得“产甲烷团聚体”并探讨不同导电物质对其甲烷产生的影响。静态箱法测定产甲烷微生物团聚体添加后原位甲烷通量及甲烷同位素组成，结合孔隙水甲烷浓度和同位素组成以评估DIET在湿地甲烷产生过程中的贡献。湿地种间电子传递“微生物组”研究模型的建立、“细菌与产甲烷古菌之间电子传递机制”的拓展都兼具微生物学和地球科学学科特色。基于“功能微生物组”，从能量代谢分子机制的角度，揭示滨海湿地甲烷产生过程中的微生物种间电子传递机制具有显著的机制创新性。

湿地是最大的甲烷自然源并广泛存在电活性微生物，然而湿地环境中甲烷产生过程中的电活性微生物之间及与产甲烷古菌之间电子传递机制却尚不明确。本项目依托中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试验站，提出了“导电材料驱动微生物产生甲烷”的新机制。基于本项目支持，取得的研究进展如下：1. 新技术的建立和新产甲烷菌的分离。借助表面灵敏度极高的飞行时间二次离子质谱仪，对地杆菌形成的共生团聚体样品进行了分子表征，从表面分子表征的角度对团聚体探究了地杆菌共生团聚体的形成及其互营机制，具有明显的技术创新性。本研究证明了飞行时间二次离子质谱仪在研究生物膜表面方面的应用潜力，同时也为深入揭示滨海湿地种间电子传递机制提供可能性，具有一定的开拓性。利用纯培养技术从滨海湿地分离了一株产甲烷杆菌，可以通过种间直接电子传递与地杆菌互营生长，并形成用于近距离电子传递的紧密联系的团聚体，本研究表明滨海湿地中存在更广泛具有直接接受电子的产甲烷菌，拓展了对具有直接电子传递能力的产甲烷菌多样性的认知。2. 磁铁矿对湿地甲烷产生途径的影响。研究发现纳米磁铁矿可在“小时”级别上显著提高湿地甲烷产生速率，甲烷主要来自“电子驱动的二氧化碳还原”，这是一种全新的甲烷产生途径。黄河三角洲湿地红粘层存在产电微生物介导的矿物转化，三价铁矿物可以被还原成导电的磁铁矿，磁铁矿可以介导电子传递用于还原二氧化碳产生甲烷。此研究是将实验室的研究结果在自然原位环境中得到证实。3. 碳材料对湿地土壤甲烷产生的影响。碳布极大促进了乙酸营养型产甲烷菌产甲烷。利用产甲烷古菌纯培养和厌氧土壤培养体系。碳纳米管可促进产甲烷古菌胞内电子传递以提高乙酸营养型产甲烷过程。证实了导电材料促进的种间直接电子传递拓展到种内直接电子传递。发现在人工厌氧系统和湿地土壤中存在产酸菌和电微生物协同驱动的乙酸直接裂解产甲烷过程。 因此，研究结果为揭示滨海湿地微生物驱动的生物地球化学机制提供了支撑。