紅樹林生態(tài)系統(tǒng)是微生物活動驅(qū)動的重要甲烷(CH4)源。紅樹林再造林已成為恢復(fù)沿海環(huán)境生態(tài)功能的一項戰(zhàn)略。但是目前引進(jìn)的紅樹林物種對其沉積物微生物群落和CH4排放的影響暫不清楚。本研究比較了兩種不同紅樹林棲息地CH4排放、沉積物性質(zhì)、產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的變化:一種主要是秋茄(Kandelia obovata,KO,本土物種),另一種以無瓣海桑(Sonneratiaapetala,SA,引入物種)為主。SA沉積物的CH4排放量,pH值和銨均顯著高于KO,而鹽度,總碳,總氮和硫酸鹽水平都比KO低。mcrA和pmoA基因分析表明SA的引入導(dǎo)致底泥CH4循環(huán)微生物群落發(fā)生了顯著改變,產(chǎn)甲烷群落的α多樣性增加,甲烷細(xì)菌的豐度降低。SA底泥中Methanosarcina的相對豐度增加,而Ⅱ型甲烷氧化菌的相對豐度降低,因此SA底泥中CH4排放量的增加可以歸因于CH4的產(chǎn)量增加和消耗降低。鹽度、pH、總碳、總氮和硫酸鹽是影響甲烷循環(huán)微生物群落結(jié)構(gòu)的因素。本研究深入探討了紅樹林引種對CH4循環(huán)微生物群落和CH4排放的影響,對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控全球氣候變化具有重要意義。
論文ID
原名:Sonneratia apetala introduction alters methane cycling microbial communities and increases methane emissions
譯名:引入無瓣海桑改變甲烷循環(huán)微生物群落并增加甲烷排放
期刊:Soil Biology and Biochemistry
IF:5.29
發(fā)表時間:2020.3
通訊作者: 賀志理
通訊作者單位:中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境微生物研究中心
實驗設(shè)計
本研究分別選擇秋茄(KO)和無瓣海桑(SA)兩種紅樹林棲息地的不同深度的沉積物,以沒有植被的泥潭樣本(M)作為對照。選擇0-5,5-10,10-15和15-20cm四組深度,每組6次重復(fù),共72個樣本。
分別測定不同取樣點(diǎn)的氣體排放與沉積物理化學(xué)性質(zhì),并利用mcrA和pmoA擴(kuò)增子測序分析,比較不同樣本間的微生物群落的多樣性,組成和結(jié)構(gòu)差異,同時構(gòu)建分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)來研究引物種對CH4循環(huán)微生物群落和CH4排放的影響。
結(jié)果
研究人員分析了SA和KO兩種生境的沉積物特性和CH4排放情況。SA沉積物CH4排放顯著高于KO(表1),不同紅樹樹種的種植對底泥環(huán)境條件和養(yǎng)分含量也有影響(圖1)。SA沉積物的pH和氨氮顯著高于KO(圖1a和b),水分,鹽度,TC,TN,硫酸鹽,硝酸鹽和鐵的含量較低(圖1c-h,j)。在SA中大部分理化性質(zhì)隨沉積物的深度變化但在KO中并沒有此規(guī)律(圖1d-f)。
2 產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的多樣性、組成和結(jié)構(gòu)
為了了解SA沉積物中CH4排放增加的機(jī)制,研究人員對mcrA和pmoA基因序列擴(kuò)增,分析沉積物中產(chǎn)甲烷和甲烷氧化的群落。從72個樣本中分別獲得了3204239個和3758651個高質(zhì)量的mcrA和pmoA序列。將mcrA序列聚類為1450個OUT和31個屬,pmoA序列聚為435個OTU和20個屬。紅樹林的種植顯著(P<0.05)改變了產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的α多樣性(圖2)。SA沉積物中產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的Shannon指數(shù)顯著高于KO沉積物。在SA沉積物中α多樣性隨著深度的增加而增加,在M和KO中沒有顯著差異(圖2a)。
PCoA分析顯示產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落在三種生境中被很好地分開,說明紅樹人工林和紅樹物種在較高的分類學(xué)分辨率上改變了底泥產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落結(jié)構(gòu),特別是微生物類群結(jié)構(gòu)(圖3)。
沉積物的深度也影響產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的組成。隨著深度的增加,SA沉積物中Methanobacterium的相對豐度上升,Methanolobus的相對豐下降,而KO沉積物中對兩種菌的趨勢相反。盡管甲烷氧化菌在不同深度之間沒有差異,Methylocaldum在SA沉積物中的相對豐度隨深度的增加而降低,在KO沉積物中的相對豐度隨著深度的增加而增加。
3 產(chǎn)甲烷菌mcrA和甲烷氧化菌pmoA基因豐度
為了檢測底泥中產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的豐度和分布,我們使用實時定量PCR(qPCR)對mcrA和pmoA基因的拷貝數(shù)進(jìn)行了定量。在M或者沉積物中mcrA基因豐度沒有顯著差異(圖4a)。SA沉積物各深度pmoA基因豐度均顯著低于KO,這可能與SA沉積物中甲烷氧化菌較少有關(guān)(圖4b)。雖然M和KO沉積物中mcrA和pmoA基因豐度最高的是10-15 cm層。深度對SA沉積物中CH4循環(huán)微生物的豐度沒有顯著影響(圖4a和b)。SA沉積物的mcrA/pmoA比值是KO沉積物的2.8倍左右(圖4c)。
4 甲烷循環(huán)的微生物群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)
為了進(jìn)一步探索三種生境之間潛在的微生物相互作用及其差異,利用mcrA和pmoA基因的測序數(shù)據(jù)構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)。SA的網(wǎng)絡(luò)由2個Methanococcoides,4個Methanobacterium核心模塊組成;KO由1個Methanobacterium,2個Methanolobus核心模塊組成;M由6個Methanolobus,1個Methanobacterium,1個Methanosarcina和2個Methanoregula組成(圖5a)。其中OUT_124豐度最高,在SA中的相對豐度顯著低于KO,而OTU_127和OTU_129在SA中的相對豐度顯著高于KO,(圖5c)。
5 產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落環(huán)境因子的影響
研究人員通過RDA分析研究甲烷循環(huán)微生物群落與環(huán)境因素的關(guān)系(圖6)。發(fā)現(xiàn)在M中,pH是影響產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的一個重要因素;TC、TN和鹽度是KO產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的重要驅(qū)動因子;硫酸鹽在很大程度上影響了SA的產(chǎn)甲烷群落(圖6)。該結(jié)果與MRM分析結(jié)果一致,鹽度對產(chǎn)甲烷群落和甲烷氧化群落的貢獻(xiàn)最大,其次是硫酸鹽和TN對產(chǎn)甲烷群落的影響,再次是硫酸鹽和pH對甲烷氧化群落的貢獻(xiàn)(表2)。
為了進(jìn)一步研究這些關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動因子(TC、TN、硫酸鹽、鹽度和pH)與CH4循環(huán)微生物群落之間的關(guān)系,研究人員進(jìn)行了線性回歸分析。產(chǎn)甲烷和甲烷氧化群落的Shannon指數(shù)、PCoA1和豐度與TC、TN、鹽度、硫酸鹽和pH呈顯著相關(guān)。這些關(guān)鍵的環(huán)境因子對不同的微生物群體有不同的影響。Methanolobus和Ⅱ型甲烷氧化菌與TC、TN、鹽度呈正相關(guān),與pH呈負(fù)相關(guān)。而Methanococcoides和Methanosarcina與TC、TN、鹽度、硫酸鹽呈負(fù)相關(guān),與pH呈正相關(guān)。TC、TN和鹽度與OUT_124呈正相關(guān),與OUT_127和OUT_124 OUT_129呈負(fù)相關(guān)。
結(jié)論
本研究闡明了引進(jìn)紅樹物種與本地紅樹物種相比甲烷排放增加的機(jī)制(圖7)。SA增加了植物生物量,加速了養(yǎng)分循環(huán),從而降低了沉積物中的養(yǎng)分含量(如TC、TN、硫酸鹽),并改變了環(huán)境條件。這些變化影響甲烷循環(huán)微生物群落,增加產(chǎn)甲烷群落的多樣性,減少甲烷氧化菌的豐度。此外,根分泌物可能會隨著SA植物生物量的增加而增加,從而為SA沉積物中的產(chǎn)甲烷菌提供更多的底物。因此,該過程有助于增加CH4的產(chǎn)量減少CH4的氧化,從而導(dǎo)致SA沉積物中CH4排放的增加。這項研究在理解引進(jìn)紅樹植物(SA)對沉積物環(huán)境、CH4循環(huán)微生物群落和CH4排放的影響方面取得了重要進(jìn)展,為選擇具有理想生態(tài)功能的紅樹植物植樹造林提供了指導(dǎo)。
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