【摘 要】
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海洋碳循环对海洋生态环境乃至全球气候变化有重要影响。有机碳氧化耦合Fe(Ⅲ)还原是海洋沉积物环境极其重要的微生物代谢过程,但该环境中Fe(Ⅲ)氧化物对天然有机多聚物的微生物氧化过程的影响有待研究。探究Fe(Ⅲ)氧化物介导的天然有机多聚物降解与矿化过程对揭示海洋沉积物环境中碳-铁元素相互作用及其生物地球化学循环具有重要意义。为认识近海沉积物中天然有机多聚物的微生物降解过程,本研究对九龙江口红树林沉积
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海洋碳循环对海洋生态环境乃至全球气候变化有重要影响。有机碳氧化耦合Fe(Ⅲ)还原是海洋沉积物环境极其重要的微生物代谢过程,但该环境中Fe(Ⅲ)氧化物对天然有机多聚物的微生物氧化过程的影响有待研究。探究Fe(Ⅲ)氧化物介导的天然有机多聚物降解与矿化过程对揭示海洋沉积物环境中碳-铁元素相互作用及其生物地球化学循环具有重要意义。为认识近海沉积物中天然有机多聚物的微生物降解过程,本研究对九龙江口红树林沉积物中纤维素、几丁质和木质素降解菌群多样性受四种Fe(Ⅲ)氧化物的影响进行分析,并以解木质红树林杆菌Mangrovibacterium lignilyticum MCCC 1 A15882 为研究对象进一步考察耦合 Fe(Ⅲ)氧化物的木质素厌氧降解动力学特性、细胞生长和Fe(Ⅲ)还原情况,以期初步探究Fe(Ⅲ)氧化物对微生物降解木质素的影响机制。得到以下结果:(1)四种Fe(Ⅲ)氧化物对红树林沉积物中纤维素、几丁质和木质素厌氧降解菌群多样性的影响分析显示,耦合羟基氧化铁提高了纤维素或几丁质富集菌群中变形菌门(Proteobacteria)相对丰度;耦合化学磁铁矿将纤维素、几丁质和木质素降解菌群中梭杆菌门(Fusobacteria)相对丰度提高了14.4%、18.5%和10.0%;耦合铁锰结核将纤维素富集菌群中厚壁菌门(Firmicutes)和几丁质富集菌群中纤维杆菌门(Fibrobacteres)相对丰度分别提高52.1%和59.3%;生物磁铁矿对三种天然有机多聚物降解菌群结构无明显影响,这可能是由于不同细菌菌群将Fe(Ⅲ)氧化物作为电子受体的可利用度差异导致。层级聚类和PCoA分析发现,Fe(Ⅲ)氧化物对富集菌群的影响次于天然有机多聚物,天然有机多聚物类型是改变菌群结构的主要因素。这些结果为了解原位沉积物微生物菌群的选择性变化和生物功能提供了重要参考。(2)对富集菌群中的优势降解细菌进行了分离鉴定、功能验证和基因组分析发现,从15个富集样本中共分离厌氧细菌225株,分布于变形菌门(35.1%)、拟杆菌门(33.8%)、厚壁菌门(17.3%)、梭杆菌门(7.6%)和放线菌门(Actinobacteria)(6.2%),且可培养细菌门水平多样性和高通量测序结果相似。参与三种天然有机多聚物降解的重要酶系主要在拟杆菌门菌株基因组中注释到,而厚壁菌门和变形菌门多数菌株基因组仅注释到纤维素或几丁质水解小分子产物降解酶系。然而纤维素或几丁质水解验证发现厚壁菌门和变形菌门部分菌株也能水解纤维素或几丁质,可能存在其他未知降解途径。(3)基于表型、化学分类学和系统发育特性证明了木质素富集菌群最优势降解细菌解木质红树林杆菌Mangrovibacterium lignilyticum MCCC 1A15882代表了拟杆菌门的一个新种。Fe(Ⅲ)氧化物对菌株MCCC 1A15882木质素降解特性的影响结果显示,在不加Fe(Ⅲ)氧化物的对照组中,菌株MCCC 1A15882对木质素(1.5 g/L)的14d厌氧降解率为5.55±0.37%。耦合化学磁铁矿、生物磁铁矿、铁锰结核和可溶性EDTA-Fe(Ⅲ)促进了解木质红树林杆菌MCCC 1A15882对木质素的降解,降解率分别提高了 3.4%、1.0%、2.0%和2.9%,同时也刺激了细胞的生长。培养过程中Fe(Ⅱ)浓度的增加说明菌株MCCC 1A15882将Fe(Ⅲ)氧化物还原进行厌氧呼吸可能是驱动木质素加速降解的主要机制。结果表明耦合Fe(Ⅲ)氧化物促进了细菌对木质素的厌氧降解,对铁呼吸介导的海洋碳循环提供了新认识。
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