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(xiàng)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(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(gè)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(shí)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

1 沉積物理化性質(zhì)與甲烷排放

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）。

 

 

表1 采樣地點(diǎn)、溫度和甲烷流量。

圖1 泥潭（M），秋茄（KO）和無瓣海桑（SA）沉積物的理化性質(zhì)。a pH，b銨，c水分，d鹽度，e，總碳（TC），f總氮（TN），g硫酸鹽，h硝酸鹽，i亞硝酸鹽，j鐵，k亞鐵。

 

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(gè)樣本中分別獲得了3204239個(gè)和3758651個(gè)高質(zhì)量的mcrA和pmoA序列。將mcrA序列聚類為1450個(gè)OUT和31個(gè)屬，pmoA序列聚為435個(gè)OTU和20個(gè)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。

 

圖2 在M，KO和SA中不同深度沉積物的a產(chǎn)甲烷菌b甲烷氧化菌的香農(nóng)指數(shù)。

圖3 產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)的PCoA分析。

 

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(shí)時(shí)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）。

 

圖4 KO和SA沉積物中mcrA和pmoA基因豐度。

 

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(gè)Methanococcoides，4個(gè)Methanobacterium核心模塊組成；KO由1個(gè)Methanobacterium，2個(gè)Methanolobus核心模塊組成；M由6個(gè)Methanolobus，1個(gè)Methanobacterium，1個(gè)Methanosarcina和2個(gè)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）。

 

圖5 通過模塊內(nèi)連接(ZI)和模塊間連接(PI)區(qū)分產(chǎn)甲烷菌（a）和甲烷氧化菌（b）節(jié)點(diǎn)。關(guān)鍵點(diǎn)(c)的相對豐度在不同生境間存在顯著差異。

 

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(gè)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)。

 

圖6 產(chǎn)甲烷菌（a）和甲烷氧化菌（b）與環(huán)境因子的RDA分析。

表2 MRM分析確定產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌群落環(huán)境因子的相對重要性。

 

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(xiàng)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)。