沉水植物恢復(fù)對湖泊沉積物產(chǎn)甲烷菌的影響研究

徐 思張 丹王艷云周巧紅王亞芬劉碧云賀 鋒吳振斌

(1. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430070; 2. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072)

沉水植物恢復(fù)對湖泊沉積物產(chǎn)甲烷菌的影響研究

徐 思1, 2張 丹2王艷云2周巧紅2王亞芬2劉碧云2賀 鋒2吳振斌2

(1. 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 武漢 430070; 2. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072)

為探明沉水植物恢復(fù)對湖泊沉積物中產(chǎn)甲烷菌的影響, 本文選用杭州西湖沉水植物恢復(fù)區(qū)域進行研究, 同時對比分析未進行沉水植物恢復(fù)區(qū)域。產(chǎn)甲烷菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)分析采用限制性片段長度多態(tài)性分析(PCR-RFLP)及分子克隆等技術(shù)。研究結(jié)果表明, 沉水植物恢復(fù)區(qū)產(chǎn)甲烷菌OTU類型均數(shù)為13種, 高于沉水植物匱乏區(qū)域的9種; 并且沉水植物恢復(fù)區(qū)的Shannon指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)較對照區(qū)分別高21.7% 和9.5%, 表明沉水植物的恢復(fù)有利于提高沉積物中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)多樣性。就產(chǎn)甲烷菌種類而言, 沉水植物的恢復(fù)對甲烷微菌綱 Methanomicrobia等影響不顯著, 恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)分別占 43.6%—67.4%、41.5%—58.1%。甲烷球菌綱Methanococci在沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的存在量較少, 分別占1.7%和4.1%。而沉水植物的恢復(fù)一定程度上提高甲烷桿菌綱Methanobacteria的比例, 較匱乏區(qū)高14.6%, 且僅在恢復(fù)區(qū)檢測到甲烷桿狀熱菌科Methanothermaceae和甲烷八疊球菌科Methanosarcinaceae。

沉水植物恢復(fù); 沉積物; 產(chǎn)甲烷菌; 限制性片段長度多態(tài)性; 克隆

甲烷(CH4)是產(chǎn)甲烷菌在厭氧條件下分解有機質(zhì)而產(chǎn)生的溫室氣體, 它對全球氣候變暖的貢獻僅次于CO2[1, 2]。自20世紀80年代, 甲烷的溫室效應(yīng)已達到20%, 且每年以0.8%—1.0%的速度增加, 可見甲烷對溫室效應(yīng)的作用越來越大。湖泊是大氣CH4的主要來源, 目前國內(nèi)對湖泊 CH4總釋放量的研究主要集中在源與匯的探討上[3—5]。在低溫條件下, 我國八大淡水大型湖泊作為大氣 CH4的源, 主要源于沉積物的產(chǎn)甲烷古菌, 其在厭氧條件下, 利用有機質(zhì)作為能量來源, 以H2或甲酸鹽為電子受體,產(chǎn)生并釋放甲烷[6]。因此, 為全面了解甲烷釋放的根源, 開展湖泊沉積物中產(chǎn)甲烷菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)的研究顯得尤為必要, 將為準確估算湖泊沉積物中CH4排放量提供數(shù)據(jù)支撐。

富營養(yǎng)化已日益成為一個全球范圍內(nèi)的水環(huán)境污染問題, 富營養(yǎng)化的加劇, 常伴隨著藻類水華的暴發(fā)、水生動植物的急劇減少等現(xiàn)象[7]。目前湖泊沉水植物的恢復(fù)已經(jīng)成為重建湖泊生態(tài)系統(tǒng)的重要措施之一[8]。研究表明沉水植物可改變湖泊沉積物的局部氧化還原狀態(tài), 影響著沉積物中微生物的活動及組成[9, 10]。作為湖泊沉積物中的厭氧功能細菌產(chǎn)甲烷菌, 其群落結(jié)構(gòu)和多樣性受沉水植物恢復(fù)的影響研究卻少有報道[11]。為此, 本文以西湖為實驗對象, 采用 PCR-RFLP和克隆文庫的分子生物學(xué)方法, 通過對比沉水植物恢復(fù)湖區(qū)和未恢復(fù)湖區(qū)的產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的差異性, 反映沉水植物的恢復(fù)對產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的影響, 為揭示沉水植物在恢復(fù)過程中對湖泊甲烷氣體的影響提供生物學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

樣品采自杭州西湖沉水植物恢復(fù)區(qū), 包括茅家埠、烏龜潭、浴湖灣(編號1Y、2Y、3Y), 以及沉水植物匱乏區(qū), 包括外湖湖心、西里湖、北里湖(編號1N、2N、3N), 共 6個采樣點, 中心位置為N30°14′45″, E120°08′30″, 采樣點如圖1。其中茅家埠、烏龜潭、浴湖灣在“十一五”水專項的支持下從2011年開始恢復(fù)沉水植物, 至采樣期間水生植物蓋度達到30%—70%, 而西湖外湖湖心、西里湖、北里湖湖區(qū)未進行水生植物恢復(fù), 沉水植物蓋度低于2%。

2013年 12月于相應(yīng)位點采用柱狀采泥器隨機采集表層0—20 cm底泥樣品3份, 混勻, 轉(zhuǎn)移至實驗室–80℃冰箱中保存, 以備后期DNA的提取和產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的分析, 并采用哈希HQ40d便攜式在線監(jiān)測儀器監(jiān)測記錄水樣相關(guān)理化指標, 手持測深儀(Speedtech SM-5)測定水深。

1.2 測定方法

沉積物含水率測定采用干燥恒重法, 土壤活性有機碳采用333 mmol/L KMnO4氧化法, 底泥總磷測定采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89), 總氮采用過硫酸鹽消化法(GB11894-89)。

1.3 DNA提取和PCR

沉積物總DNA提取采用SDS高鹽抽提法, 并測定DNA的濃度和純度。采用古菌16S rRNA的特異性引物對其進行PCR擴增, 正向引物A109f (5′-A CKGCTCAGTAACACGT-3′), 反向引物是 A912rt (5′-GTGCTCCCCCGCCAATTCCTTTA-3′)[12, 13]。30 μL 的PCR反應(yīng)液組成: TaKaRa Taq HS(5 U/μL)0.2 μL、10×PCR Buffer 3 μL、dNTP Mixture (Mg2+) 2.4 μL、DNA Template 1 μL、引物各1 μL, 滅菌蒸餾水稀釋至30 μL。PCR反應(yīng)條件為: 94℃預(yù)變性5min, 94℃變性60s、54℃退火90s、72℃延伸60s, 反應(yīng)35個循環(huán), 最后72℃延伸6min, 4℃保溫。采用Gel Extraction Kit (EZgeneTM)對3次的PCR平行產(chǎn)物進行切膠純化回收目的片段, 以去除小片段的 DNA分子等雜質(zhì)。

1.4 克隆及RFLP

圖1 杭州西湖采樣位點圖(黑色方塊)Fig. 1 Sampling sites in the West Lake, Hangzhou (Black block)

將PCR產(chǎn)物連接到pMD18-T Vector (TakaRa),然后轉(zhuǎn)入大腸桿菌 DH5α, 建立克隆文庫, 其中10 μL的連接液組成: Insert DNA 4.5 μL、pMD18-T Vector 1 μL, 滅菌蒸餾水稀釋至10 μL。每個文庫選取45個陽性克隆, 通過16S rRNA的引物對A109f/ A912rt進行擴增, 產(chǎn)物用限制性內(nèi)切酶HaeⅢ于37℃酶切3—4h, 產(chǎn)物通過2.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測,具有相同酶切條帶的陽性克隆子定義為一個分類操作單元, 即OTU。將不同的OTU進行測序分析, 測序由上海睿迪生物科技有限公司完成。16S rRNA基因的測序結(jié)果通過BLAST(http://www.Ncbi.nlm.nih. gov/blast)進行數(shù)據(jù)庫比對, 然后使用 MEGA (Molecular Evolutionary Genetics Analysis)軟件, 運用最相似進化距離法(MJ法)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析主要使用Excel軟件、origin軟件進行, 產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性分析采用克隆文庫覆蓋率、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)等指標,其中計算公式如下:

其中, i為第i個采樣點; s為采樣咪總數(shù); ni為第i個采樣點的OUT種類數(shù); Ni為第i個采樣點的陽性克隆子數(shù); Pi為第i個采樣點的OUT種類數(shù)占陽性克隆子數(shù)的比例。

2 結(jié)果

2.1 采樣區(qū)理化指標分析

沉水植物恢復(fù)區(qū)(1Y、2Y和3Y)主要為狐尾藻、菹草, 且透明度見底, 而沉水植物匱乏區(qū)(1N、2N、3N)幾乎無沉水植物存在, 采樣點各理化指標如表1。其中, 湖泊沉水植物恢復(fù)區(qū)的水深較匱乏區(qū)存在顯著差異, 均值相差90 cm。沉水植物恢復(fù)區(qū)的水體pH均值為7.78, 較匱乏區(qū)的均值pH低0.23。種植沉水植物的湖泊區(qū)域, 其底泥溫度普遍較匱乏區(qū)的低, 同一時期最大溫差達2.0℃。對于采樣點的底泥含水率, 沉水植物恢復(fù)區(qū)的含水率集中在 50.0%—65.0%, 而匱乏區(qū)的底泥含水率均高于前者, 其最大含水率較沉水植物恢復(fù)區(qū)含水率的均值高出39.2%,表明沉水植物的根系環(huán)境對湖泊底泥起到一定的固定作用, 從而影響微生物的棲息區(qū)域。相對于匱乏區(qū), 沉水植物恢復(fù)區(qū)的氧化還原電位(ORP)較低,約為–130 mV, 可能因為冬季部分沉水植物根系逐漸衰亡腐敗, 生物殘留使得沉積物局部缺氧[14]。另外, 沉水植物恢復(fù)區(qū)沉積物的氮均值顯著高于匱乏區(qū), 約為2.608 g/kg, 而恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的沉積物中總磷含量相差不大, 集中在0.508—0.797 g/kg。恢復(fù)區(qū)中活性有機碳最大值較匱乏區(qū)活性有機碳均值低 16.34 mg/kg, 該差值幾乎占到恢復(fù)區(qū)活性有機碳均值的 36.4%, 說明沉水植物的恢復(fù)在一定程度上促進細菌包括產(chǎn)甲烷菌群落對活性有機碳的間接利用率。

2.2 克隆文庫分析

沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的16S rRNA克隆文庫的陽性克隆子總數(shù)分別為132、124, 陽性克隆經(jīng)過限制性酶 HaeIII酶切, 凝膠電泳分析后, 共得到24種不同條帶類型, 分別命名為OTU1-OTU24, 其中沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的克隆文庫 OTU類型數(shù)分別為 16、15種。6個克隆文庫的覆蓋率介于67.4%—81.4%, 說明實驗分析的陽性克隆子數(shù)較好地反映采樣位點處產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性, 代表性比較高。反映克隆文庫中 OTU的豐度和均勻度的綜合性指標Shannon指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)如表2, 可以得出, 沉水植物恢復(fù)區(qū)的多樣性指數(shù)較匱乏區(qū)分別高21.7%、9.5%, 表明基于16S rRNA的產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)多樣性在沉水植物恢復(fù)區(qū)表現(xiàn)得更高。

表1 湖泊沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的主要理化指標Tab.1 Major physicochemical indicators of the submerged macrophytes rehabilitation (SMR) areas and scarce areas

2.3 限制性片段長度多態(tài)性分析RFLP

沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)所對應(yīng)各采樣點, 各個克隆文庫的 OTU所占比值如圖 2所示。其中, OTU1、OTU9共同存在于沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的采樣點中, 分別占兩者總 OTU數(shù)量的 47.0%和53.0%, 為湖泊產(chǎn)甲烷菌群落優(yōu)勢種的條帶類型。OTU6、OTU7、OTU19、OTU20、OTU22共5種OTU類型均勻的分布在恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)。從表3可以得出, 沉水植物恢復(fù)區(qū)的獨特 OTU類型數(shù)達到 9種,較匱乏區(qū)的獨有OTU類型數(shù)多2種, 兩采樣區(qū)的獨特OTU統(tǒng)計如表3, 恢復(fù)區(qū)的獨特OTU類型主要分布在典型和常見OTU類型中, 占該采樣區(qū)總OTU類型數(shù)的50.0%。而匱乏區(qū)的獨特OTU類型主要為罕見OTU類型, 占該匱乏區(qū)總OTU類型數(shù)的30.0%。

表2 基于RFLP類型的沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的克隆文庫多樣性指標Tab. 2 The diversity indices of the SMR areas and the scarce areas based on RFLP patterns

圖2 沉水植物恢復(fù)區(qū)(1Y、2Y、3Y)和匱乏區(qū)(1N、2N、3N)的OTU所占比例圖Fig. 2 OTU proportion of the SMR areas and the scarce areas

表3 沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的OTU分類統(tǒng)計表Tab. 3 OTU classification of the SMR areas and the scarce areas

2.4 系統(tǒng)發(fā)育樹分析

產(chǎn)甲烷菌 16SrRNA的測序結(jié)果與已知系列進行比對, 相似度為 83%—100%, 其中相似度達到97%的序列占到 60.0%。產(chǎn)甲烷菌屬于古菌域的廣古菌界, 目前主要分為甲烷微菌目 Methanomicrobiales、甲烷八疊球菌目Methanosarcinales、甲烷桿菌目 Methanobacteriales、甲烷球菌目 Methanococcales、甲烷火菌目Methanopyrales, 前四者在本次研究中均有檢測到。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境和形態(tài)的差異性, 各甲烷菌目可衍生出群落結(jié)構(gòu)多樣性的甲烷菌科和甲烷菌屬等。

產(chǎn)甲烷古菌16S rRNA的系統(tǒng)發(fā)育樹如圖3, 文庫中 53.4%的序列為甲烷微菌綱 Methanomicrobia,如屬于甲烷微菌目 Methanomicrobiales的甲烷產(chǎn)生菌屬Methanogenium、甲烷囊菌屬Methanoculleus、Methanoregulaceae和甲烷蠅菌屬Methanolinea等。其中, 與甲烷八疊球菌目 Methanosacrinales相近的菌群主要來源于三峽庫區(qū)的稻田底泥和 Monoun湖區(qū)的缺氧沉積物, 相似度達到 97%; 與 Methanoregulaceae相近的菌群主要來源于厭氧消化器中的微生物群落, 該菌大量的存在于春季的沼澤地中。

西湖沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)沉積物產(chǎn)甲烷菌測序結(jié)果表明, 甲烷微菌綱 Methanomicrobia在兩大采樣區(qū)中的差異性不顯著, 其作為優(yōu)勢綱, 分別占到43.6%—67.4%、41.5%—58.1%, 主要有甲烷微菌目Methanomicrobiales、甲烷八疊球菌目Methanosacrinals, 其中甲烷微菌目Methanomicrobiales分別占沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)中甲烷微菌綱Methanomicrobia的93.5%和78.8%, 說明種植沉水植物對西湖底泥產(chǎn)甲烷菌的優(yōu)勢種甲烷微菌綱 Methanomicrobia影響不大。甲烷桿菌綱Methanobacteria在匱乏區(qū)的僅一個采樣點存在, 約為該采樣點總菌數(shù)的2.4%, 比例較低, 但在沉水植物恢復(fù)區(qū)的三個采樣點均有檢測到, 部分比例高達 17.0%, 受沉水植物的影響比較顯著。甲烷球菌綱Methanococci在沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的存在量較少, 分別占到1.7% 和4.1%。在沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)中, 同時存在大部分未知古菌。

沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的四大產(chǎn)甲烷菌目下級的各產(chǎn)甲烷菌科的比例如圖 4所示, 甲烷微菌科Methanomicrobiaceae大量的存在于采樣區(qū)域, 為優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌科, 與其同屬于產(chǎn)甲烷微菌目的甲烷八疊球菌科Methanosarcinaceae僅在沉水植物恢復(fù)區(qū)中發(fā)現(xiàn)。另外, 甲烷鬃菌科Methanoseataceae、甲烷暖球菌科 Methanocaldococcaceae、甲烷桿菌科Methanobacteriaceae這3種產(chǎn)甲烷菌科均存在于兩大采樣區(qū), 而前兩者在沉水植物恢復(fù)區(qū)的比例明顯較匱乏區(qū)低。甲烷熱菌科 Methanothermaceae僅存在于沉水植物恢復(fù)區(qū)。

3 討論

現(xiàn)階段, 國內(nèi)外對湖泊沉水植物的恢復(fù)對沉積物中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的研究較少, 產(chǎn)甲烷菌作為專性厭氧菌, 理論上僅能生存于低含氧量且含有 H2/甲酸鹽的環(huán)境中, 其群落結(jié)構(gòu)多樣性的研究也大部分集中在自然濕地等厭氧生境[15—20]。佘晨興等[21]研究表明, 在閩江口蘆葦沼澤濕地存在著3大類群: 甲烷桿菌目 Methanobacteriales、甲烷微菌目Methanomicrobiales、甲烷八疊球菌目Methanosarcinales, 且該區(qū)域不同土壤深度的甲烷菌群落分布呈現(xiàn)出不同的特征。Galand等[22]采用DGGE和RFLP等方法, 研究表明泥炭地中施灰肥對甲烷的潛在產(chǎn)生力和產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)沒有顯著影響, 且深層和淺層泥炭層中主要存在著氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌。Glissmanm等[23]研究德國東北部Dagow湖泊沉積物發(fā)現(xiàn), 溫度變化首先會影響產(chǎn)甲烷菌的功能活性, 其次是產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)。上述也為在沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的底泥中檢測到大量的產(chǎn)甲烷菌群落的研究提供實例支撐。

沉水植物作為湖泊水體中的高等植物, 對水生生態(tài)系統(tǒng)的維持、物質(zhì)循環(huán)和能量傳遞中起著重要的調(diào)控作用[24]。本文研究發(fā)現(xiàn)沉水植物恢復(fù)區(qū)產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性均較匱乏區(qū)的高, 主要表現(xiàn)在沉水植物恢復(fù)區(qū)的克隆子經(jīng)過限制性片段長度的多態(tài)性分析, 湖區(qū)的 OTU類型平均數(shù)多達13種, 明顯高于匱乏區(qū)平均9種OTU類型。在沉水植物恢復(fù)區(qū), 植物根系和沉積物大面積地接觸,根系黏附作用吸附根系局部區(qū)域凝集的菌膠體,可防止由于水流的攪動而破壞細菌的生態(tài)位, 為產(chǎn)甲烷菌的生存提供較大的固定空間, 從物理層面上解釋沉水植物恢復(fù)區(qū)中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)多樣性較匱乏區(qū)的高。

圖3 沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)基于16S rRNA的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig. 3 The phylogenetic tree of the SMR areas and the scarce areas based on 16S rRNA

圖 4 各產(chǎn)甲烷菌科在沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)的比例圖(‘M.’為‘Methano’縮寫)Fig. 4 The proportion of methanogens in the SMR areas and the scarce areas (‘M.’ for ‘Methano’)

在沉水植物存在下, 沉積物中氮磷濃度會呈現(xiàn)不同程度的降低[25]。在本研究中沉水植物恢復(fù)區(qū)總氮也有一定的降低, 但沉積物總磷在恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)中差異不顯著?？赡茉蚴且巴庠囼灨鲄^(qū)域中本底營養(yǎng)鹽濃度的差異; 已有的研究主要采用室內(nèi)實驗進行相應(yīng)環(huán)境因子的人為控制, 進而能比較出沉水植物對沉積物中營養(yǎng)鹽的影響。

沉水植物恢復(fù)區(qū)的ORP值較匱乏區(qū)的低, 原因可能是沉水植物最適生長季節(jié)的差異性, 使得臨近冬季采樣時, 恢復(fù)區(qū)中部分種類的沉水植物處于生長旺盛期, 比如菹草, 而狐尾藻、金魚藻等沉水植物開始出現(xiàn)衰亡現(xiàn)象, 衰亡沉水植物根系的腐敗引起沉積物中厭氧微生物的活性增強, 碳源消耗速率加快。雖然旺盛期沉水植物根系具有泌氧功能, 但對沉積物ORP的貢獻率較前者小, 兩者的綜合作用使得恢復(fù)區(qū)的ORP較低, 也為厭氧菌產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)多樣性提供依據(jù)。

Lee等[26]通過DNA穩(wěn)定同位素13C探針檢測方法, 證實在甲酸鹽和 H2/CO2存在的土壤微環(huán)境中,亦存在著甲烷八疊球菌屬 Methanosarcina、甲烷桿菌屬Methanobacterium等的生長。Leybo等[27]研究表明在穩(wěn)定條件下, 乙酸、H2/CO2兩種營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌比例為 2∶1, 其中僅屬于甲烷八疊球菌科Methanosarcinaceae的甲烷菌群可以利用乙酸、甲酸和甲基, 其他產(chǎn)甲烷菌目皆只能利用H2/CO2或甲酸基質(zhì)[28]。這說明Methanosarcinaceae可利用的營養(yǎng)基質(zhì)較其他產(chǎn)甲烷菌豐富, 沉水植物根部吸收底泥中的營養(yǎng)物質(zhì), 通過同化作用將營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身生長所需的物質(zhì), 同時也不斷地向沉積物中分泌大量的有機化合物(碳水化合物、氨基酸以及有機酸等)[29], 可供根系產(chǎn)甲烷菌利用; 另外部分發(fā)酵性細菌可代謝這些有機物, 產(chǎn)生多種有機酸(主要成分為乙酸)[30], 而豐富的代謝基質(zhì)也選擇性存在著結(jié)構(gòu)多樣性的產(chǎn)甲烷菌, 這也解釋僅在沉水植物恢復(fù)區(qū)中檢測到 Methanosarcinaceae, 且甲烷桿菌目在恢復(fù)區(qū)中大量存在。由于氫營養(yǎng)型的甲烷微菌目Methanomicrobiales生長周期較其他產(chǎn)甲烷菌目短, 且營養(yǎng)利用效率高, 故在沉水植物恢復(fù)區(qū)和匱乏區(qū)都是作為優(yōu)勢種存在, 沒有顯著差異。在我國鄱陽湖、洪澤湖和青藏高原若蓋爾濕地均有檢測出該菌[31, 32]。

從微生物角度開展沉水植物恢復(fù)對湖泊沉積物中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響研究, 為更深層次的研究湖泊甲烷釋放提供生物學(xué)支撐。對單種沉水植物或者其覆蓋率、不同生長期對產(chǎn)甲烷菌結(jié)構(gòu)多樣性的影響是否存在, 后期還需通過大量的實驗來佐證。并且湖泊底泥產(chǎn)甲烷菌的群落多樣性及其分布與甲烷氣體的最終逸出量的相互關(guān)系也是今后研究的一大重點, 將沉水植物的恢復(fù)情況與甲烷氣體釋放的緊密結(jié)合也是湖泊研究需考慮的熱點。

致謝:

本研究采樣過程中課題組常駐西湖工作站同學(xué)提供諸多幫助, 及資料整理過程中, 左進城博士提供相關(guān)數(shù)據(jù), 在此表示感謝; 并感謝課題組張甬元、劉保元老師的悉心指導(dǎo)。

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IMPACTS OF SUBMERGED MACROPHYTES REHABILITATION ON THE METHANOGENIC COMMUNITY IN THE SEDIMENT OF FRESHWATER LAKES

XU Si1, 2, ZHANG Dan2, WANG Yan-Yun2, ZHOU Qiao-Hong2, WANG Ya-Fen2, LIU Bi-Yun2,
HE Feng2and WU Zhen-Bin2
(1. School of Resource & Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072, China)

In this study, we investigated the impacts of submerged macrophytes rehabilitation (SMR) on the methanogenic community structure in the lake sediments. We compared the diversity and structure of methanogenic populations between the SMR areas and the plant scarce areas in the West Lake of Hangzhou by using restriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP) and molecular cloning techniques. The results showed that the average OTU type number in the SMR areas was 13, and the number was 9 in the scarce areas. Shannon-Weaver diversity and Simpson’s evenness in the SMR areas were 21.7% and 9.5% respectively, which were higher than those in the control areas. This indicated that the diversity of the methanogenic community structure could be improved by the rehabilitation of submerged macrophytes. The in-depth analysis suggested that SMR had no significant effect on Methanomicrobia that accounted for 43.6%—67.4% and 41.5%—58.1% in the SMR areas and the scarce areas respectively. Methanococci was rare in both the SMR areas (1.7%) and the scarce areas (4.1%). We also found that the proportion of Methanobacteria in the SMR areas was 14.6% higher than in the scarce areas. Methanothermaceae and Methanosarcinaceae were only detected in the SMR areas.

Submerged macrophytes rehabilitation; Sediment; Methanogens; RFLP; Clone

X172

A

1000-3207(2015)06-1198-09

10.7541/2015.156

2014-09 -30;

2015-05-25

水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101007-005); 國家自然科學(xué)基金(31123001); 湖北省自然科學(xué)基金(2010CDA066)資助

徐思(1990—), 女, 湖北隨州人; 碩士; 主要研究環(huán)境微生物學(xué)。E-mail: xusi1990@126.com

周巧紅(1977—), 女, 湖北羅田人; 副研究員, 碩士生導(dǎo)師; 主要從事環(huán)境微生物學(xué)研究。E-mail: qhzhou@ihb.ac.cn