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地下河口微生物群落對甲烷和氮轉化的調節作用

更新時間:2024-02-01      點擊次數:504

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地下河口(STEs)是重要的生物地球化學反應器,接收和處理來自陸地、海洋和地下水等各種來源的營養物質和有機物。STE在調節營養物、有機物和其他重要生物化合物的陸海通量方面發揮著重要作用。地下生態系統為微生物群落提供了多種多樣的棲息地,地球上大約40%的原核生物生物量隱藏在地表以下。沿海生態系統中的原核生物群落可能是復雜的,主要由不可培養的譜系組成,使得基于實驗室的研究具有挑戰性。


為了更好地了解陸地地下水涌入以及海洋鹽水入侵對地下氮循環微生物群落的影響,需要微生物生態學和水文地質學相結合的方法。氫氣(H2)、醋酸鹽、二氧化碳(CO2)和其他碳化合物(如一氧化碳、甲酸鹽、甲醇、甲胺)可以被產甲烷的古細菌轉化為CH4。在這一過程中,DOC通過水解、產酸和產丙酮被分解,以促進產甲烷。產甲烷古菌群落因此可以棲息在*特的生態位,由于高度適應熱力學能量守恒。在多種環境中,變形細菌的甲烷氧化菌可以代謝多余的甲烷作為其*一的能量來源。厭氧甲烷營養古生菌與產甲烷古生菌關系密切,可在海岸帶深層富甲烷缺氧沉積物中代謝CH4。因此,CH4的地下氧化可以成為沿海環境中強效溫室氣體的重要匯。


16S rRNA是一種細菌和古細菌*有的核糖體RNA,通常用于研究微生物群落結構和多樣性。通過對16S rRNA基因序列進行擴增和測序,可以了解不同微生物的遺傳差異,從而對微生物進行分類和鑒定。這項技術被廣泛應用于環境微生物學和生態學研究中,有助于揭示微生物在不同生態系統中的功能和相互作用。


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研究地點位于澳大利亞昆士蘭州大堡礁集水區的海灘邊STE。該樣帶從高潮線以下的海洋端(距退潮標記26米)到沙丘底部的陸地端跨度15米。根據鹽度剖面對比,選擇了五個地點。


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位于澳大利亞阿格尼斯水域的地下河口樣帶研究地點的地圖。


本研究使用的所有樣品均在8月12日的一個潮汐周期內提取。首先將地表砂石移除至地下水位以上約50 cm處,然后將不銹鋼孔隙水取樣頭(Sonlist)與氣密油管(Bev-A-line IV)連接,分別置于地下水位以下10、100和200 cm處的沉積物中??紫端娱_始于退潮時的海洋區,沿樣帶向上移動至淡水區。使用150 ml注射器從每個位置和深度抽取15個樣本??紫端瓺OC樣品用0.7 μm玻璃超細纖維過濾器過濾,保存在40 ml硼硅酸鹽小瓶中??紫端軣o機氮(銨態氮和硝態氮)樣品用0.45 μm醋酸纖維素過濾器過濾后冷凍待實驗室分析。


Picarro儀器的使用:Picarro+A0314相結合,注射器從采樣瓶平衡后的頂空中提取 4 ml氣體。注入的 4 ml氣體樣品與零空氣在 SSIM 內以 4:1 的比例混合,以達到 20 ml的總氣體體積。每個樣品在 CRDS 上運行約 6 分鐘,以確保低濃度樣品具有更高的精度。每五個樣品使用相同的進樣量運行標準氣體。



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孔隙水CH4濃度范圍為0.07±0.01 μM~0.41±0.02 μM,在樣帶的海洋端呈下降趨勢。Site 5地下水位2 m處(0.41±0.02 μM)的3個樣品中CH4濃度最高。Site 5孔隙水CO2濃度也最高,在地下水位以下10 cm處為254.24±12.73 μM,在地下水位以下200 cm處為273.31±6.05 μM。CO2濃度在潮間帶下部(site 1)*低,為81.43±3.22 μM。



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(A)甲烷(CH4)孔隙水濃度;(B)二氧化碳(CO2);(C)溶解有機碳(DOC);(D)銨(NH4+)和(E)硝(NO3-)。研究地點和地下水位以下的深度標注在左側。CH4和CO2誤差為±SD。DOC、NH4+和NO3-誤差條表示分析誤差。



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含保守混合線的鹽度相關圖顯示孔隙水:(A) CH4和(B)銨(NH4 +)濃度。


根據圖(上圖)顯示的鹽度相關圖,可以看到甲烷(CH4)濃度與鹽度之間存在負相關關系。隨著鹽度的增加,甲烷濃度呈非線性下降趨勢。在地下河口混合帶,甲烷濃度迅速下降。這表明鹽度是影響甲烷濃度空間分布的重要因素,地下河口中不同鹽度區域的微生物群落對甲烷的產生和消耗具有顯著影響。這與研究結論中提到的地下河口中隱藏的微生物群落分區以及微生物轉化對減輕營養物和溫室氣體通量到沿海生態系統的重要性密切相關。



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在這項研究中,應用16S rRNA擴增子測序和配對的生物地球化學特征來空間評估STE中轉化溫室氣體和營養物質的微生物群落。結果表明,產甲烷菌在陸地端最為普遍(相對豐度高達2.81%),孔隙水甲烷、二氧化碳和溶解有機碳濃度分別為0.41±0.02 μM、273.31±6.05 μM和0.51±0.02 mM。較低的銨態氮濃度對應著混合帶豐富的硝化和氨氧化原核生物(相對豐度高達11.65%)。甲烷、銨和溶解有機碳濃度從陸地到15 m樣帶的海洋端均下降了50%。這項研究強調了STE隱藏的微生物群落分區,以及考慮微生物轉化減輕營養和溫室氣體通量到沿海生態系統的重要性。


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