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導讀

紅樹林生態系統是微生物活動驅動的重要甲烷（CH₄）源。紅樹林再造林已成為恢復沿海環境生態功能的一項戰略。但是目前引進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、產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的引入導致底泥CH₄循環微生物群落發生了顯著改變，產甲烷群落的α多樣性增加，甲烷細菌的豐度降低。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微生物群落結構的因素。本研究深入探討了紅樹林引種對CH₄循環微生物群落和CH₄排放的影響，對紅樹林生態系統調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微生物群落并增加甲烷排放

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5.29

發表時間：2020.3

通訊作者： 賀志理

通訊作者單位：中山大學環境科學與工程學院環境微生物研究中心

 

實驗設計

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，共72個樣本。

分別測定不同取樣點的氣體排放與沉積物理化學性質，并利用mcrA和pmoA擴增子測序分析，比較不同樣本間的微生物群落的多樣性，組成和結構差異，同時構建分子生態網絡來研究引物種對CH₄循環微生物群落和CH₄排放的影響。

 

 

結果

1 沉積物理化性質與甲烷排放

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境條件和養分含量也有影響（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中大部分理化性質隨沉積物的深度變化但在KO中并沒有此規律（圖1d-f）。

 

 

表1 采樣地點、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。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 產甲烷和甲烷氧化群落的多樣性、組成和結構

為了了解SA沉積物中CH₄排放增加的機制，研究人員對mcrA和pmoA基因序列擴增，分析沉積物中產甲烷和甲烷氧化的群落。從72個樣本中分別獲得了3204239個和3758651個高質量的mcrA和pmoA序列。將mcrA序列聚類為1450個OUT和31個屬，pmoA序列聚為435個OTU和20個屬。紅樹林的種植顯著(P<0.05)改變了產甲烷和甲烷氧化群落的α多樣性（圖2）。SA沉積物中產甲烷和甲烷氧化群落的Shannon指數顯著高于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分辨率上改變了底泥產甲烷和甲烷氧化群落結構，特別是微生物類群結構（圖3）。

沉積物的深度也影響產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產甲烷菌b甲烷氧化菌的香農指數。

圖3 產甲烷菌和甲烷氧化菌群落結構的PCoA分析。

 

3 產甲烷菌mcrA和甲烷氧化菌pmoA基因豐度

為了檢測底泥中產甲烷菌和甲烷氧化菌的豐度和分布，我們使用實時定量PCR(qPCR)對mcrA和pmoA基因的拷貝數進行了定量。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（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 甲烷循環的微生物群落分子生態網絡

為了進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基因的測序數據構建了網絡。SA的網絡由2個Methanococcoides，4個Methanobacterium核心模塊組成；KO由1個Methanobacterium，2個Methanolobus核心模塊組成；M由6個Methanolobus，1個Methanobacterium，1個Methanosarcina和2個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 通過模塊內連接(ZI)和模塊間連接(PI)區分產甲烷菌（a）和甲烷氧化菌（b）節點。關鍵點(c)的相對豐度在不同生境間存在顯著差異。

 

5 產甲烷和甲烷氧化群落環境因子的影響

研究人員通過RDA分析研究甲烷循環微生物群落與環境因素的關系（圖6）。發現在M中，pH是影響產甲烷和甲烷氧化群落的一個重要因素；TC、TN和鹽度是KO產甲烷和甲烷氧化群落的重要驅動因子；硫酸鹽在很大程度上影響了SA的產甲烷群落（圖6）。該結果與MRM分析結果一致，鹽度對產甲烷群落和甲烷氧化群落的貢獻最大，其次是硫酸鹽和TN對產甲烷群落的影響，再次是硫酸鹽和pH對甲烷氧化群落的貢獻（表2）。

為了進一步研究這些關鍵環境驅動因子(TC、TN、硫酸鹽、鹽度和pH)與CH4循環微生物群落之間的關系，研究人員進行了線性回歸分析。產甲烷和甲烷氧化群落的Shannon指數、PCoA1和豐度與TC、TN、鹽度、硫酸鹽和pH呈顯著相關。這些關鍵的環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，與pH呈負相關。而Methanococcoides和Methanosarcina與TC、TN、鹽度、硫酸鹽呈負相關，與pH呈正相關。TC、TN和鹽度與OUT_124呈正相關，與OUT_127和OUT_124 OUT_129呈負相關。

 

圖6 產甲烷菌（a）和甲烷氧化菌（b）與環境因子的RDA分析。

表2 MRM分析確定產甲烷菌和甲烷氧化菌群落環境因子的相對重要性。

 

結論

 

本研究闡明了引進紅樹物種與本地紅樹物種相比甲烷排放增加的機制（圖7）。SA增加了植物生物量，加速了養分循環，從而降低了沉積物中的養分含量(如TC、TN、硫酸鹽)，并改變了環境條件。這些變化影響甲烷循環微生物群落，增加產甲烷群落的多樣性，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沉積物中的產甲烷菌提供更多的底物。因此，該過程有助于增加CH₄的產量減少CH₄的氧化，從而導致SA沉積物中CH₄排放的增加。這項研究在理解引進紅樹植物(SA)對沉積物環境、CH₄循環微生物群落和CH₄排放的影響方面取得了重要進展，為選擇具有理想生態功能的紅樹植物植樹造林提供了指導。