渤海不同區(qū)域沉積物古菌的多樣性分析

王炳臣, 鄭世玲, 張洪霞, 魏文超, 王歐美, 劉芳華

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渤海不同區(qū)域沉積物古菌的多樣性分析

王炳臣1, 2, 鄭世玲1, 張洪霞1, 2, 魏文超1, 2, 王歐美3, 劉芳華1

(1. 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所, 海岸帶生物學(xué)與生物資源利用所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東煙臺(tái) 264003; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 濱州醫(yī)學(xué)院, 山東煙臺(tái) 264003)

產(chǎn)甲烷古菌在濱海沉積物碳循環(huán)過(guò)程中起著重要作用。本研究以渤海不同區(qū)域沉積物為研究對(duì)象, 通過(guò)T-RFLP以及室內(nèi)富集培養(yǎng)方法, 解析了渤海不同區(qū)域沉積物產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)差異, 并評(píng)估其產(chǎn)甲烷潛力。結(jié)果表明, 渤海不同區(qū)域沉積物細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌群落結(jié)構(gòu)組成存在差異, 其主要優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為和, 主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌為和。渤海不同區(qū)域沉積物在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下產(chǎn)甲烷量存在明顯差異, 表現(xiàn)為近岸區(qū)域沉積物產(chǎn)甲烷量較高。且渤海沉積物具有較高的產(chǎn)甲烷潛力 (乙酸轉(zhuǎn)換率達(dá)到46.46 %), 潛在甲烷排放量估計(jì)值可達(dá)1.74億t/年。

甲烷; 渤海; 產(chǎn)甲烷菌; 多樣性; 產(chǎn)甲烷潛力

溫室效應(yīng)是全球氣候變化的重要表現(xiàn)形式之一。甲烷(CH4)是全球第二大溫室氣體, 其增溫潛勢(shì)是CO2的21倍[1], 對(duì)大氣增溫貢獻(xiàn)率為17%, 研究CH4排放對(duì)衡量區(qū)域內(nèi)溫室氣體的排放具有重要意義。全球甲烷排放量大約為每年500t, 其中74%由產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生[2-3]。產(chǎn)甲烷菌廣泛分布于海底及淡水沉積物、水稻田、動(dòng)物胃腸道、地?zé)峒暗氐V等自然環(huán)境中[4], 在全球碳循環(huán)中起到重要的作用; 其產(chǎn)甲烷途徑主要包括: 氫營(yíng)養(yǎng)型[5], 乙酸營(yíng)養(yǎng)型以及利用甲基類化合物的甲基途徑[6]。目前, 對(duì)甲烷排放的相關(guān)研究多集中在草原、水稻田、濕地、湖泊、河口等區(qū)域[5-10], 對(duì)于海洋沉積物的甲烷排放研究也相對(duì)較少。

海洋是大氣中CH4的自然排放源, 所釋放的CH4量為全球總釋放量的2%~4%[11], 其中占全球海洋面積16%的河口和近岸地區(qū)的釋放量約為全球海洋CH4總釋放量的75%[12]。通常, 由于河流中含有的高度過(guò)飽和CH4[13]被輸入近海區(qū)域, 且河流向近岸海域輸送大量陸源生物質(zhì), 為近海CH4產(chǎn)生提供有利環(huán)境條件。因此, 海洋不同區(qū)域CH4排放量存在差異, 在估算全球海洋釋放CH4量時(shí)有很大的不確定性。

渤海屬于我國(guó)內(nèi)海, 具有半封閉、海床淺等特性, 是重要的自然漁場(chǎng)與資源礦場(chǎng), 及重要的水上航線, 因此受到很多人為活動(dòng)的影響[14-19]。此外, 環(huán)渤海區(qū)域河流較多, 近海區(qū)域受河流陸源性物質(zhì)輸入更為突出, 因此, 分析比較渤海近岸區(qū)域、離岸區(qū)域以及黃渤海交匯區(qū)域沉積物產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)與產(chǎn)甲烷潛力具有重要的生態(tài)意義。

以往研究主要集中于渤海沉積物微生物多樣性, 微生物對(duì)渤海溢油降解等方面[20-23], 而對(duì)于渤海沉積物甲烷排放的相關(guān)研究則很少[24]。本研究通過(guò)對(duì)渤海不同區(qū)域產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)的分析及不同區(qū)域沉積物CH4排放潛力的評(píng)估, 有助于認(rèn)識(shí)渤海區(qū)域甲烷代謝的微生物學(xué)機(jī)制, 同時(shí)為估算全球海洋CH4釋放量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 沉積物樣品來(lái)源

沉積物樣品于2015年8月取自渤海內(nèi)不同區(qū)域, 共12個(gè)位點(diǎn): 黃河口近岸區(qū)域(BHB區(qū)域); 從渤海灣至遼東灣貫穿渤海區(qū)域(M區(qū)域), 樣點(diǎn)位于渤海內(nèi)部; 渤?？谂c黃海交互作用區(qū)域(E區(qū)域, 圖1)。采用抓斗式取樣器采集海洋沉積物后, 取0~5 cm表層沉積物樣品, 混合均勻后, 一部分保存于4℃, 用于海水富集培養(yǎng); 另一部分–80℃冷凍保存, 用于沉積物理化性質(zhì)測(cè)定及微生物多樣性分析。

1.2 沉積物理化性質(zhì)的測(cè)定

沉積物硝態(tài)氮、銨態(tài)氮采用2 mol/L KCl(土水比1︰5) 浸提, 用自動(dòng)分析儀分析 (AutoAnalyzer III, Seal, Germany)分析測(cè)定; 硫酸鹽 (SO42–) 用去離子水 (土水比1︰10,/) 提取, 用自動(dòng)分析儀 (Dionex ICS3000, DIONEX, America)測(cè)定; pH值采用去離子水 (土水比1︰2.5,/) 浸提15 min后用pH計(jì) (PH-3C, 上海雷磁, 中國(guó))測(cè)定。

可提取態(tài)Fe(II)濃度的采用紫外菲啰嗪(Ferrozin)顯色法測(cè)定[25]: 稱取0.5 g沉積物加入到4.5 mL的0.5 mol/L鹽酸中, 室溫條件下黑暗靜置24 h。8 000 r/min離心5 min, 取上清0.1 mL, 加入1.9 mL含0.1% 菲啰嗪的200 mmol /LHEPES緩沖液, 反應(yīng)5 min, 在562 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光值, 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算Fe(II)濃度。每個(gè)樣品重復(fù)3次。

1.3 DNA提取及T-RFLP分析

沉積物樣品DNA采用FastDNATMSPIN Kit for soil (MP Biomedicals, Santa Ana, CA) 試劑盒提取, 具體操作參照說(shuō)明書(shū)標(biāo)準(zhǔn)流程。參考Zheng等的方法進(jìn)行T-RFLP分析[26], 以DNA為模版, 細(xì)菌引物為 Ba27f/Ba907r, 古菌引物為Ar109f/Ar915r進(jìn)行PCR擴(kuò)增。其中引物Ba27f的5′端和Ba907r的3′端標(biāo)記6-羧基熒光素 (FAM)。PCR反應(yīng)參數(shù)為: 94℃ 2 min預(yù)變性; 94℃變性30 s; 溫度55℃ 30 s退火; 溫度72℃ 1 min延伸, 反應(yīng)25個(gè)循環(huán)。PCR產(chǎn)物經(jīng)純化后, 古菌DNA采用TaqI酶進(jìn)行酶切, 細(xì)菌DNA采用MspI酶進(jìn)行酶切, 酶切產(chǎn)物采用自動(dòng)測(cè)序儀ABI PRISM 3730XL分析。

1.4 沉積物富集培養(yǎng)

沉積物富集培養(yǎng): 采用海水富集培養(yǎng)基 (NH4Cl 1.5g/L, NaH2PO40.6 g/L, NaCl 11.7 g/L, NaHCO32.5 g/L, CaCl2·2H2O 0.1 g/L, KCl 0.1 g/L, MnCl2·4H2O 0.005 g/L, Na2MoO4·2H2O 0.001 g/L, MgCl2·6H2O 0.1 g/L, MgSO4·7H2O 0.1 g/L, CH3COONa 2.7 g/L, 酵母提取物 0.05 g/L)[27], 以33 mmol/L乙酸為電子供體進(jìn)行富集培養(yǎng)。培養(yǎng)基分裝至100 mL的西林瓶中, 每瓶40mL, 充入混合氣(N2: CO2, 80 : 20)30 min, 密封。培養(yǎng)基通過(guò)高壓滅菌鍋, 121℃, 0.15 MPa滅菌20 min,冷卻至室溫后置于厭氧操作臺(tái)進(jìn)行接種, 采用無(wú)菌注射器向每瓶加入0.5 g沉積物的懸浮液, 并設(shè)置無(wú)沉積物的純培養(yǎng)基作為對(duì)照, 置于適合產(chǎn)甲烷古菌的30℃黑暗條件, 靜置培養(yǎng)。

富集培養(yǎng)期間, 每隔5 d用無(wú)菌注射器分別抽取氣體和液體樣品, 用配備FID檢測(cè)器的氣相色譜 (Agilent 7890A) 測(cè)定甲烷產(chǎn)量, 若樣品中CH4濃度過(guò)高時(shí), 則用N2稀釋后測(cè)定。甲烷氣相色譜檢測(cè)方法: 用H2、N2和CO2為保護(hù)氣, 以濃度為400×10–6的甲烷為標(biāo)氣。設(shè)置前檢測(cè)器為250℃, 后檢測(cè)器為330℃, 設(shè)置柱溫箱為75℃, 后進(jìn)樣口溫度為375℃, 點(diǎn)火完畢后使用FID檢測(cè)器檢測(cè), CH4出峰時(shí)間約為1.3 min。用高效液相色譜 (Agilent 1260 Infinity Quaternary LC) 測(cè)定乙酸濃度, 用注射器 (無(wú)菌) 抽取1 mL液體樣品10 000 r/min離心2 min, 取上清稀釋, 過(guò)0.22mm孔徑濾膜后上機(jī)檢測(cè)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究中T-RFs片段所代表的屬水平上的細(xì)菌或古菌的鑒定參照文獻(xiàn)及課題組研究濱海濕地樣品所建的細(xì)菌和古菌克隆文庫(kù)[26,28], 并使用Greengene進(jìn)行BLAST比對(duì)。利用軟件CANOCO 4.5(蒙特卡洛檢驗(yàn), 基于499個(gè)隨機(jī)非限制排列)進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間相關(guān)性的RDA分析, 以及做微生物群落結(jié)構(gòu)組成的PCA分析。微生物T-RFs片段多樣性, 用香農(nóng)威納指數(shù)(Shannon Wiener, H= –SPilnP式中P=N/,N為種的個(gè)體數(shù),為所在群落的所有物種的個(gè)體數(shù)之和) 計(jì)算并表示。采用Sigmaplot 12.5軟件對(duì)產(chǎn)甲烷和乙酸消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 估算渤海區(qū)域產(chǎn)甲烷潛力: 渤海區(qū)域產(chǎn)甲烷潛力估算值=渤海區(qū)域面積×渤海平均深度×實(shí)驗(yàn)室乙酸濃度×實(shí)驗(yàn)室中乙酸產(chǎn)甲烷最大轉(zhuǎn)換率。

2 結(jié)果與分析

2.1 沉積物的理化性質(zhì)

如表1所示, 3個(gè)區(qū)域所有站位沉積物pH值均呈堿性 (7.5~9.0)。BHB區(qū)域樣品的pH相對(duì)較低; M區(qū)域各位點(diǎn)樣品pH (8.5~8.7) 略高, 且相對(duì)穩(wěn)定; 導(dǎo)電率相對(duì)較高; E區(qū)域位點(diǎn)樣品pH值介于7.5~9.0, 變化相對(duì)較大; 電導(dǎo)率相對(duì)較低, 而銨態(tài)氮含量相對(duì)較高, 硝態(tài)氮含量較低。

2.2 渤海沉積物微生物多樣性

如圖2所示, 渤海不同區(qū)域沉積物優(yōu)勢(shì)古菌T-RFs片段均為86、181和388 bp。此外, E區(qū)域站位樣品古菌T-RFs片段還包括197、221 bp; 而M區(qū)域各位點(diǎn)樣品古菌T-RFs片段還包括197 bp和304 bp。說(shuō)明渤海不同區(qū)域沉積物樣品主要古菌群落相同, 同時(shí)存在區(qū)域性多樣性的差異。

表1 不同站位沉積物理化性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

參照已建克隆文庫(kù), 各T-RFs片段代表的屬水平上的古菌見(jiàn)表2?？芍? 渤海沉積物共有的優(yōu)勢(shì)古菌T-RFs片段86 bp和181 bp分別代表甲烷桿菌屬()和甲烷八疊球菌屬(), 而其他T-RFs片段代表未知古菌。

由圖2 (b)可知, 渤海不同區(qū)域沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異。細(xì)菌T-RFs 片段160、490和505 bp 為渤海不同區(qū)域沉積物樣品的主要優(yōu)勢(shì)片段, 與M區(qū)域的主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌片段相同; E區(qū)域樣品細(xì)菌T-RFs片段還包括91 bp和113 bp; BHB6樣品細(xì)菌T-RFs片段還包括91、113、128、435和446 bp, 其中BHB區(qū)域代表片段多樣性的Shannon指數(shù)為1.44~2.56, 相比其他區(qū)域, 細(xì)菌多樣性最高。說(shuō)明結(jié)果與古菌相類似, 渤海不同區(qū)域沉積物樣品存在區(qū)域性多樣性的差異。

各T-RFs 片段代表的屬水平上的細(xì)菌見(jiàn)表3。160 bp和490 bpT-RFs 片段分別為脫硫弧菌屬()和硫桿菌屬 (); 此外, 91, 113, 128和435 bp T-RFs片段分別代表擬桿菌屬 (), 脫氯菌屬(), 副球菌屬()和鞘氨醇單胞菌屬 ()。其他T-RFs片段代表細(xì)菌未知。

表2 采用限制性內(nèi)切酶Taq I產(chǎn)生的古菌片段構(gòu)建克隆文庫(kù)的16S rRNA基因系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

注: a為用Greengene進(jìn)行BLAST比對(duì)的結(jié)果, b為限制性內(nèi)切酶I切割后的T-RF片段長(zhǎng)度

表3 采用限制性內(nèi)切酶MspI產(chǎn)生的細(xì)菌片段構(gòu)建克隆文庫(kù)的16S rRNA基因系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系

注: a為用Greengene進(jìn)行BLAST比對(duì)的結(jié)果, b為限制性內(nèi)切酶I切割后的T-RF片段長(zhǎng)度

2.3 渤海沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)的主成分分析(PCA)

為了進(jìn)一步分析渤海不同區(qū)域沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)組成變化, 對(duì)12個(gè)位點(diǎn)樣品微生物群落結(jié)構(gòu)做主成分分析。結(jié)果如圖3所示, 除M5與E0聚集在一起外, 其他位點(diǎn)沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)具有明顯差異。相同區(qū)域范圍的不同位點(diǎn)樣品微生物群落組成也表現(xiàn)出明顯差異, 說(shuō)明渤海不同位點(diǎn)沉積物樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)存在較大差異, 具有較高的微生物多樣性。

2.4 沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)性分析

為了探究影響渤海沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)的環(huán)境因素, 對(duì)渤海沉積物細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間分別做冗余分析(RDA)。結(jié)果顯示(如圖4a), 總鐵、Fe(II)、電導(dǎo)率、pH、銨態(tài)氮、硫酸鹽共6個(gè)變量組合, 能夠保證所有變量膨脹系數(shù)都小于4, 其中硫酸鹽解釋量最高為15.5%, 總鐵解釋量最低為9.3%, 4個(gè)變量的前兩個(gè)軸共解釋了38.5%的古菌T-RFs片段變化, 約73.1%的群落-環(huán)境關(guān)系。BHB和E區(qū)域樣品古菌群落主要受銨態(tài)氮影響, 而M區(qū)域中M5、M8、M9、M11四個(gè)位點(diǎn)樣品古菌群落結(jié)構(gòu)主要受硫酸鹽和Fe(II)影響。T-RFs 221bp和388bp代表的古菌群落與銨態(tài)氮呈正相關(guān); T-RFs 197bp和 304bp代表的古菌群落與pH、EC和Fe(II)呈正相關(guān); 181bpT-RFs與硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮呈正相關(guān)。

散點(diǎn)圖是主坐標(biāo)1 (PC1)與主坐標(biāo)2 (PC2)。樣品的變化百分比如圖中所描述的在軸上顯示

The scatterplot is of principal coordinate 1 (PC1) as a function of principal coordinate 2 (PC2); The percentage of the variation in the samples described by the plotted PCs is shown on the axes

如圖4b所示, 總鐵解釋量最高為32.4%, pH解釋量最低為5.35%, 四個(gè)變量的前兩個(gè)軸共解釋了55.5%的細(xì)菌T-RFs片段變化, 約92.4%的群落-環(huán)境關(guān)系?？商崛B(tài)總鐵(TFe)是影響渤海沉積物細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的顯著環(huán)境變量(<0.05)。M1、M9、E2和E4位點(diǎn)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與pH和硫酸鹽呈正相關(guān); BHB6、E0和E7位點(diǎn)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與Fe(II)和TFe呈正相關(guān)。

2.5 渤海不同區(qū)域沉積物產(chǎn)甲烷量的變化

由圖5可知, 在整個(gè)富集培養(yǎng)期間中 (0~40 d), 對(duì)照 (CK) 處理沒(méi)有CH4產(chǎn)生, 而渤海不同區(qū)域沉積物樣品產(chǎn)CH4量具有明顯差異。在培養(yǎng)的0~15 d, 所有沉積物富集樣品中均沒(méi)有甲烷產(chǎn)生; 在培養(yǎng)的第20天以后, 所有樣品開(kāi)始產(chǎn)生CH4并積累。BHB8樣品最先產(chǎn)生CH4且含量迅速上升, 在第25天達(dá)到最大值0.62 mmol, 之后保持相對(duì)穩(wěn)定, 其產(chǎn)甲烷速率為1.5 mmol/d; BHB6樣品在第25天后甲烷產(chǎn)量迅速上升, 在第35天達(dá)到最大值0.58 mmol。E4樣品在第25天后甲烷產(chǎn)量也迅速上升, 在第35天達(dá)到最大值0.56 mmol; 而E區(qū)域中其他樣品產(chǎn)甲烷量相對(duì)較少。M區(qū)域的M1、M8和M11樣品在第25天后產(chǎn)CH4量迅速上升, M1在第30 天達(dá)到最大值0.59 mmol, 之后保持相對(duì)穩(wěn)定, M8和M11樣品在第35天分別達(dá)最大值0.60 mmol和0.65 mmol。

在整個(gè)培養(yǎng)期間 (0~40 d), 乙酸作為底物被消耗與CH4產(chǎn)量基本相對(duì)應(yīng)。對(duì)照 (CK) 處理乙酸含量基本保持33 mmol/L不變。BHB6和BHB8樣品乙酸含量在第20天后開(kāi)始逐漸下降, BHB6在第40天乙酸被全部利用, BHB8的乙酸含量在第40 天下降為13.92 mmol/L。在培養(yǎng)的第30天, E4樣品的乙酸就被消耗完, 而E區(qū)域其他樣品在培養(yǎng)的最后乙酸含量均小幅降低。M1和M11樣品的乙酸含量分別在第35、40天降低為0 mmol/L, M區(qū)域其他樣品在培養(yǎng)的最后乙酸含量也均小幅降低。說(shuō)明渤海不同區(qū)域沉積物樣品利用乙酸為底物產(chǎn)CH4的情況不同, 雖然所有沉積物樣品具有相同的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌。E4樣品細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)及產(chǎn)甲烷量都明顯不同于E區(qū)域其他樣品, 說(shuō)明渤海沉積物微生物群落結(jié)構(gòu)及功能具有區(qū)域特異性。通過(guò)由乙酸產(chǎn)甲烷 (CH3COOH→CH4+CO2) 計(jì)算發(fā)現(xiàn), 最大轉(zhuǎn)換率為46.46%。

3 討論

根據(jù)底物利用類型, 產(chǎn)甲烷菌可分為3類: (1)乙酸營(yíng)養(yǎng)型, 如甲烷鬃毛菌屬(); (2)氫營(yíng)養(yǎng)型, 主要利用H2和甲酸作為電子供體還原CO2產(chǎn)生甲烷, 如甲烷桿菌屬(); (3)甲基化營(yíng)養(yǎng)型, 通過(guò)H2還原甲基化合物中的甲基產(chǎn)甲烷或通過(guò)甲基化合物自身的歧化作用產(chǎn)甲烷, 如產(chǎn)甲烷球菌屬()。海洋和濱海濕地鹽度和硫酸鹽含量較高, 而鹽度和硫酸鹽影響競(jìng)爭(zhēng)性電子和產(chǎn)甲烷底物的種類和含量, 對(duì)產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)和甲烷產(chǎn)生途徑有重要影響[29]。3種營(yíng)養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷菌廣泛分布于淡水環(huán)境、濱海濕地和海洋沉積物中。Liu等[30]研究發(fā)現(xiàn)太湖沉積物中優(yōu)勢(shì)古菌為Metha-no-microbiales目和Methanosarcinaceae科的產(chǎn)甲烷菌,而閩江河口區(qū)短葉茳芏潮汐淡水沼澤濕地土壤主要優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為、和[9];、和為東海油氣田沉積物的主要產(chǎn)甲烷菌。與以往研究類似[33], 本研究中沉積物主要優(yōu)勢(shì)古菌為產(chǎn)甲烷菌和, 分別為氫營(yíng)養(yǎng)型和乙酸營(yíng)養(yǎng)型[32], 而兼性菌還能夠利用甲胺類產(chǎn)甲烷。因此, 渤海沉積物中3種類型有機(jī)底物都能夠被利用而產(chǎn)生甲烷。

Baldwin等[34]對(duì)淡水濕地研究發(fā)現(xiàn), 隨著添加鹽度的增加, 土壤中產(chǎn)甲烷菌群落多樣性降低。Jenifer 等[35]對(duì)添加海水的淡水濕地的研究發(fā)現(xiàn), 細(xì)菌和古菌的群落結(jié)構(gòu)均沒(méi)有隨著鹽度的增加而改變。在渤海沉積物中產(chǎn)甲烷菌群落結(jié)構(gòu)與鹽度沒(méi)有顯著相關(guān)性, 本研究中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著影響海洋沉積物古菌多樣性的環(huán)境因子, 所以站點(diǎn)與環(huán)境因子種類的增加是該區(qū)域進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

本研究中近海沉積物樣品產(chǎn)甲烷速率較快, 可能由于海洋沉積物中甲烷的產(chǎn)生速率在很大程度上受限于可降解有機(jī)質(zhì)的含量[36], 而在近海區(qū)域受河流攜帶大量懸浮物和有機(jī)物的沉積, 使該海域沉積物中有機(jī)碳含量較高, 產(chǎn)甲烷菌活性較強(qiáng)。根據(jù)室內(nèi)富集培養(yǎng)產(chǎn)甲烷量, 本研究對(duì)渤海最大產(chǎn)甲烷潛力進(jìn)行了估算: 渤海平均深度為18 m[37], 總面積為7.7萬(wàn)km2[38], 按照實(shí)驗(yàn)室中乙酸濃度 (33 mmol/L) 與轉(zhuǎn)化率 (46.46%) 計(jì)算, 整個(gè)渤海年甲烷產(chǎn)生潛力約為17.4億t, 小于很多濕地環(huán)境中甲烷產(chǎn)生量[39-41], 可能由于海洋沉積物產(chǎn)甲烷底物含量低且存在更高濃度的產(chǎn)甲烷的競(jìng)爭(zhēng)電子受體, 如硫酸鹽、硝酸鹽以及鐵錳氧化物[42-44]。但本研究估算值大于李佩佩等的夏季估算值360~930 t[24], 這可能由于渤海海域有機(jī)酸輸入小于實(shí)驗(yàn)輸入值, 甲烷氧化與溶解等原因[46]。但同時(shí)說(shuō)明渤海產(chǎn)甲烷潛力巨大 (17.4億t/年), 隨著陸源輸入及人為活動(dòng)的影響, 甲烷排放可能進(jìn)一步升高。

4 結(jié)論

渤海不同區(qū)域沉積物細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌群落結(jié)構(gòu)組成存在差異?？商崛B(tài)總鐵對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響,和為渤海沉積物主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌。渤海沉積物主要優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為和。渤海不同區(qū)域沉積物產(chǎn)甲烷量具有明顯差異, 表現(xiàn)為近岸區(qū)域沉積物產(chǎn)甲烷量較高。且渤海沉積物具有較高的產(chǎn)甲烷潛力 (乙酸轉(zhuǎn)換率達(dá)到46.46 %), 潛在甲烷排放量估計(jì)值可達(dá)1.74 億t/年。

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Diversity of archaea in the sediments from different areas of the Bohai Sea

WANG Bing-chen1, 2, ZHENG Shi-ling1, ZHANG Hong-xia1, 2, WEI Wen-chao1, 2, WANG Ou-mei3, LIU Fang-hua1

(1. Key Laboratory of Coastal Biology and Biological Resources Utilization, Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Binzhou Medical University, Yantai 264003, China)

Methanogens play an important role in the carbon cycle of coastal sediments. In this study, sea water enrichment cultures with acetate as the substrate were employed to enrich methanogens using sediments of the Bohai Sea. The methane production was used to estimate potential methane productivity and terminal restriction fragment length polymorphism analysis was used to analyze the diversity of microbial communities simultaneously. Our results revealed that changes in the bacterial and the methanogens community structures in sediments from different areas of the Bohai Sea were found. The dominant methanogens wereandin sediments of the Bohai Sea, andandwere the dominant bacteria. Different areas of the Bohai Sea obviously varied on methane production, which shows that the methane emission is higher in the coastal area. Bohai Sea has great potential for methane productivity and acetic acid conversion rate (46.46%), and the estimation of potential methane production is 1.74 Gt per year.

methane; Bohai Sea; methanogens; diversity; potential methane productivity

(本文編輯: 梁德海)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41371257, No.41573071, No.41401285, No.31600370; The Key Program, No. KZZD- EW-14; Hundred Talents Program (A) of the Chinese Academy of Sciences]

Dec. 12, 2016

Q936

A

1000-3096(2017)05-0008-09

10.11759/hykx20161024002

2016-12-12;

2017-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41371257、41573071)、國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(41401285、31600370), 中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-14); 中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(A類)

王炳臣(1989-), 男, 河北景縣人, 博士研究生, 主要從事渤海沉積物微生物生態(tài)研究, 電話: 0535-2109269, E-mail: bcwang@yic.ac.cn;劉芳華, 通信作者, 研究員, 電話: 0535-2109268, E-mail: fhliu@yic.ac.cn; 王歐美, 通信作者, 副教授, 電話: 0535-6913374, E-mail: ziou79@ hotmail.com