地下河口微生物群落对甲烷和氮转化的调节作用

地下河口微生物群落对甲烷和氮转化的调节作用

背景

地下河口(STEs)是重要的生物地球化学反应器，接收和处理来自陆地、海洋和地下水等各种来源的营养物质和有机物。STE在调节营养物、有机物和其他重要生物化合物的陆海通量方面发挥着重要作用。地下生态系统为微生物群落提供了多种多样的栖息地，地球上大约40%的原核生物生物量隐藏在地表以下。沿海生态系统中的原核生物群落可能是复杂的，主要由不可培养的谱系组成，使得基于实验室的研究具有挑战性。

为了更好地了解陆地地下水涌入以及海洋盐水入侵对地下氮循环微生物群落的影响，需要微生物生态学和水文地质学相结合的方法。氢气(H2)、醋酸盐、二氧化碳(CO2)和其他碳化合物(如一氧化碳、甲酸盐、甲醇、甲胺)可以被产甲烷的古细菌转化为CH4。在这一过程中，DOC通过水解、产酸和产丙酮被分解，以促进产甲烷。产甲烷古菌群落因此可以栖息在独特的生态位，由于高度适应热力学能量守恒。在多种环境中，变形细菌的甲烷氧化菌可以代谢多余的甲烷作为其唯一的能量来源。厌氧甲烷营养古生菌与产甲烷古生菌关系密切，可在海岸带深层富甲烷缺氧沉积物中代谢CH4。因此，CH4的地下氧化可以成为沿海环境中强效温室气体的重要汇。

16S rRNA是一种细菌和古细菌特有的核糖体RNA，通常用于研究微生物群落结构和多样性。通过对16S rRNA基因序列进行扩增和测序，可以了解不同微生物的遗传差异，从而对微生物进行分类和鉴定。这项技术被广泛应用于环境微生物学和生态学研究中，有助于揭示微生物在不同生态系统中的功能和相互作用。

方法介绍

研究地点位于澳大利亚昆士兰州大堡礁集水区的海滩边STE。该样带从高潮线以下的海洋端(距退潮标记26米)到沙丘底部的陆地端跨度15米。根据盐度剖面对比，选择了五个地点。

位于澳大利亚阿格尼斯水域的地下河口样带研究地点的地图。

本研究使用的所有样品均在8月12日的一个潮汐周期内提取。首先将地表砂石移除至地下水位以上约50 cm处，然后将不锈钢孔隙水取样头(Sonlist)与气密油管(Bev-A-line IV)连接，分别置于地下水位以下10、100和200 cm处的沉积物中。孔隙水取样开始于退潮时的海洋区，沿样带向上移动至淡水区。使用150 ml注射器从每个位置和深度抽取15个样本。孔隙水DOC样品用0.7 μm玻璃超细纤维过滤器过滤，保存在40 ml硼硅酸盐小瓶中。孔隙水溶无机氮(铵态氮和硝态氮)样品用0.45 μm醋酸纤维素过滤器过滤后冷冻待实验室分析。

Picarro仪器的使用：Picarro+A0314相结合，注射器从采样瓶平衡后的顶空中提取 4 ml气体。注入的 4 ml气体样品与零空气在 SSIM 内以 4:1 的比例混合，以达到 20 ml的总气体体积。每个样品在 CRDS 上运行约 6 分钟，以确保低浓度样品具有更高的精度。每五个样品使用相同的进样量运行标准气体。

结果与讨论

孔隙水CH4浓度范围为0.07±0.01 μM~0.41±0.02 μM，在样带的海洋端呈下降趋势。Site 5地下水位2 m处(0.41±0.02 μM)的3个样品中CH4浓度最高。Site 5孔隙水CO2浓度也最高，在地下水位以下10 cm处为254.24±12.73 μM，在地下水位以下200 cm处为273.31±6.05 μM。CO2浓度在潮间带下部(site 1)最低，为81.43±3.22 μM。

(A)甲烷(CH4)孔隙水浓度;(B)二氧化碳(CO2);(C)溶解有机碳(DOC);(D)铵(NH4+)和(E)硝(NO3-)。研究地点和地下水位以下的深度标注在左侧。CH4和CO2误差为±SD。DOC、NH4+和NO3-误差条表示分析误差。

含保守混合线的盐度相关图显示孔隙水:(A) CH4和(B)铵(NH4 +)浓度。

根据图（上图）显示的盐度相关图，可以看到甲烷（CH4）浓度与盐度之间存在负相关关系。随着盐度的增加，甲烷浓度呈非线性下降趋势。在地下河口混合带，甲烷浓度迅速下降。这表明盐度是影响甲烷浓度空间分布的重要因素，地下河口中不同盐度区域的微生物群落对甲烷的产生和消耗具有显著影响。这与研究结论中提到的地下河口中隐藏的微生物群落分区以及微生物转化对减轻营养物和温室气体通量到沿海生态系统的重要性密切相关。

研究结论

在这项研究中，应用16S rRNA扩增子测序和配对的生物地球化学特征来空间评估STE中转化温室气体和营养物质的微生物群落。结果表明，产甲烷菌在陆地端最为普遍(相对丰度高达2.81%)，孔隙水甲烷、二氧化碳和溶解有机碳浓度分别为0.41±0.02 μM、273.31±6.05 μM和0.51±0.02 mM。较低的铵态氮浓度对应着混合带丰富的硝化和氨氧化原核生物(相对丰度高达11.65%)。甲烷、铵和溶解有机碳浓度从陆地到15 m样带的海洋端均下降了50%。这项研究强调了STE隐藏的微生物群落分区，以及考虑微生物转化减轻营养和温室气体通量到沿海生态系统的重要性。

原文链接：https://doi.org/10.1111/1462-2920.16558