青藏高原亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化微生物研究

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亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐(NO2-)为电子受体将甲烷(CH4)氧化为二氧化碳(CO2)的反应过程,由Candidatus Methylomirabilis oxyfera介导完成,是耦联氮循环和碳循环的关键环节。青藏高原是全球范围内海拔最高、面积最大的高原,属气候变化和生态脆弱敏感区。目前,该地区草地土壤物质循环是否存在N-DAMO反应还未见报道。因此,研究青藏高原土壤中N-DAMO菌是否存在及其丰度、菌群结构和活性与环境因子的关系,对于拓展N-DAMO菌在全球的生物地理分布信息、多样性及其与碳氮循环关系,阐释温室气体甲烷氧化的微生物机制以及青藏高原生态保护具有重要意义。本研究以青藏高原三种植被类型(沼泽草甸、高寒草甸和高山草原)土壤为研究对象,通过定量PCR、Hi-Seq高通量测序和稳定性同位素活性示踪等方法对土壤N-DAMO菌群进行分析,研究N-DAMO菌的丰度、多样性及反应活性,结合相关土壤理化性质,分析该生境中可能影响N-DAMO菌分布和菌群结构的环境因子,得到以下研究结果:1、首次发现青藏高原草地土壤中广泛分布着N-DAMO菌。青藏高原土壤中N-DAMO菌16S rRNA基因的丰度在1.65±0.38×1053.20±0.49×106 copies·g-1dry weight之间,N-DAMO菌的丰度与NO3-浓度呈极显著负相关关系(r=-0.488,P<0.01),与NH4+、NO2-、TIN含量呈显著负相关关系(r=-0.351,P<0.05;r=-0.364,P<0.05和r=-0.398,P<0.05)。2、测序结果表明N-DAMO菌16S rRNA基因序列与已知的M.oxyfera菌亲缘关系较近,相似度为95%100%,M.oxyfera菌所属的NC10门的序列数占到总序列数的97.37%,说明测序所获得的特异性序列的丰度较高。但青藏高原生态系统中仅存在少数几个与M.oxyfera菌亲缘关系较近的细菌类别,种群多样性水平不高。相关性分析表明,N-DAMO菌群落结构组成与土壤NO3-含量极显著正相关(r=0.930,P<0.01),与土壤TIN含量显著正相关(r=0.910,P<0.05)。3、稳定性同位素活性示踪实验于沼泽草甸和高寒草甸土壤中分别检测到13CO2气体含量和土壤13C丰度的增加,表明N-DAMO反应是碳氮循环的重要环节,是青藏高原潜在的甲烷汇。Pearson相关性分析表明,青藏高原土壤样品13CO2原子百分比(%)与土壤OC和NO3-含量呈显著负相关(r=-0.854,P<0.05;r=-0.998,P<0.05),土壤13C丰度(%)与土壤OC含量呈显著负相关(r=-0.849,P<0.05)。
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