滇池不同面源污染区域湖滨带湿地甲烷循环过程及其功能微生物研究

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甲烷(CH4)作为重要的温室气体,对全球变暖有极大地贡献。湖泊湖滨带是重要的CH4排放源,研究湖滨带CH4循环对认识全球变暖过程具有重要的理论意义。本研究根据滇池流域不同土地利用类型,选择滇池湖滨带不同面源污染区域—农业面源污染区域的白鱼河(BY)和茨象河(CX)、城市面源污染区域的大清河(DQ)、城市与农业面源污染交错区域的捞鱼河(LY)及西华湿地(XH)的湖滨带湿地作为研究对象,通过测定沉积物的CH4产生和氧化速率及其功能微生物的丰度和群落结构,并结合沉积物、上覆水和植物的化学特性,探讨了不同污染类型背景下滇池湖滨带CH4产生和氧化速率的差异性及其影响因素,以期为实现滇池温室气体的有效减排能提供理论指导作用。主要结论如下:(1)滇池湖滨带不同面源污染区域的化学特性存在显著差异(p<0.05),不同面源污染区域的化学特性高于对照的西华湿地区域。(2)产甲烷速率、产甲烷菌mcrA基因丰度在滇池湖滨带的不同面源污染区域均存在显著差异(p<0.05),各个面源污染区域产甲烷速率显著高于对照区西华湿地区域(p<0.05)。产CH4速率显著最高和显著最低的区域分别是农业面源污染的白鱼河(17.648μg/(g·d))和对照区西华湿地(0.262 μg/(g·d))区域。产甲烷菌mcrA基因丰度显著最高和显著最低的区域分别是农业面源污染的白鱼河(2.671E+10 copies/g)和城市面源污染的大清河(1.265E+09 copies/g)区域。不同面源污染区域产甲烷菌在目水平上由Bathyarchaeia、Methanobacteriales、Methanocellales、Methanofastidiosales、Methanomassiliicoccales、Methanomethyliales、Methanomicrobiales 和 Methanosarcinales组成。茨象河、西华湿地和捞鱼河区域产甲烷菌优势菌为Bathyarchaeia,白鱼河和大清河区域产甲烷菌的优势菌为Methanosarcinales。产甲烷速率与产甲烷菌mcrA基因丰度、土壤总磷和铵态氮、植物总磷、微生物生物量碳、上覆水铵态氮和COD显著正相关(p<0.05),与微生物生物量磷显著负相关(p<0.05)。产甲烷菌mcrA基因丰度与微生物生物量碳、上覆水硝态氮、铵态氮、总氮和总磷显著正相关(p<0.05)。(3)好氧甲烷氧化速率在滇池湖滨带的不同面源污染区域无显著差异(p>0.05),而好氧甲烷氧化菌pmoA基因丰度存在显著差异(p<0.05)。好氧甲烷氧化菌pmoA基因在对照区西华湿地区域显著最高,为5.450E+07 copies/g。不同面源污染区域的好氧甲烷氧化菌在科水平上由 Beijerinckiaceae、Methylacidiphilaceae、Methylococcaceae、Methyloligellaceae、Methylomonaceae 和 Methylophilaceae 组成。白鱼河和西华湿地区域好氧甲烷氧化菌的优势菌为Beijerinckiaceae,大清河和捞鱼河区域的好氧甲烷氧化菌的优势菌为Methyloligellaceae,茨象河区域的好氧甲烷氧化菌的优势菌为Methylomonaceae。好氧甲烷氧化速率与好氧甲烷氧化菌pmoA基因无显著相关关系,与土壤总碳、上覆水叶绿素、微生物生物量磷显著正相关(p<0.05)。(4)厌氧甲烷氧化速率、ANME古菌和NC10细菌丰度在滇池湖滨带的不同面源污染区域间均存在显著差异(p<0.05)。厌氧甲烷氧化速率分别在农业面源污染区域的茨象河(27.294 μg/(g·d)和城市与农业面源污染交错区域的捞鱼河(7.771 μg/(g·d))区域显著最高和显著最低。ANME古菌丰度分别在农业面源污染茨象河(8.901E+05 copies/g)和城市面源污染大清河区域(9.925E+04 copies/g)显著最高和显著最低,而NC10细菌丰度分别在对照的西华湿地(6.852E+09copies/g)和农业面源污染白鱼河(9.545E+05 copies/g)区域显著最高和显著最低。不同面源污染区域的ANME古菌在目水平上由Methanomicrobiales和Methanosarcinales组成。西华湿地与茨象河区域ANME古菌的优势菌同为Methanomicrobiales,大清河、白鱼河与捞鱼河区域ANME古菌的优势菌同为Methanosarcinales。不同面源污染区域NC10细菌在科水平上由Methylomirabilaceae、Rokubacteriales组成。白鱼河、西华湿地、茨象河和大清河区域的NC10细菌的优势菌同为Rokubacteriales,LY区域NC10细菌的优势菌为Methylomirabilaceae。厌氧甲烷氧化速率与ANME古菌丰度存在显著正相关关系(p<0.05),与NC10细菌丰度不存在显著相关性。厌氧甲烷氧化速率与土壤铵态氮和总氮、上覆水总磷存在显著正相关关系(p<0.05),与植物总磷存在显著负相关关系(p<0.05)。ANME古菌丰度与上覆水硝态氮和总磷、微生物生物量磷和土壤总氮存在显著正相关关系(p<0.05)。通过以上研究,深入了解了湖滨带不同面源污染区域CH4循环过程特征及其驱动因子,为揭示湖滨带面源污染与CH4循环过程的关联性及控制富营养化湖泊CH4排放提供理论支撑。
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