导读

红树林生态系统是微生物活动驱动的重要甲烷（CH₄）源。红树林再造林已成为恢复沿海环境生态功能的一项战略。但是目前引进的红树林物种对其沉积物微生物群落和CH₄排放的影响暂不清楚。本研究比较了两种不同红树林栖息地CH₄排放、沉积物性质、产甲烷和甲烷氧化群落的变化：一种主要是秋茄（Kandelia obovata，KO，本土物种），另一种以无瓣海桑（Sonneratiaapetala，SA，引入物种）为主。SA沉积物的CH₄排放量，pH值和铵均显著高于KO，而盐度，总碳，总氮和硫酸盐水平都比KO低。mcrA和pmoA基因分析表明SA的引入导致底泥CH₄循环微生物群落发生了显著改变，产甲烷群落的α多样性增加，甲烷细菌的丰度降低。SA底泥中Methanosarcina的相对丰度增加，而Ⅱ型甲烷氧化菌的相对丰度降低，因此SA底泥中CH₄排放量的增加可以归因于CH₄的产量增加和消耗降低。盐度、pH、总碳、总氮和硫酸盐是影响甲烷循环微生物群落结构的因素。本研究深入探讨了红树林引种对CH₄循环微生物群落和CH₄排放的影响，对红树林生态系统调控全球气候变化具有重要意义。

 

论文ID

 

原名：Sonneratia apetala introduction alters methane cycling microbial communities and increases methane emissions

译名：引入无瓣海桑改变甲烷循环微生物群落并增加甲烷排放

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5.29

发表时间：2020.3

通讯作者： 贺志理

通讯作者单位：中山大学环境科学与工程学院环境微生物研究中心

 

实验设计

本研究分别选择秋茄（KO）和无瓣海桑（SA）两种红树林栖息地的不同深度的沉积物，以没有植被的泥潭样本（M）作为对照。选择0-5，5-10，10-15和15-20cm四组深度，每组6次重复，共72个样本。

分别测定不同取样点的气体排放与沉积物理化学性质，并利用mcrA和pmoA扩增子测序分析，比较不同样本间的微生物群落的多样性，组成和结构差异，同时构建分子生态网络来研究引物种对CH₄循环微生物群落和CH₄排放的影响。

 

 

结果

1 沉积物理化性质与甲烷排放

研究人员分析了SA和KO两种生境的沉积物特性和CH₄排放情况。SA沉积物CH₄排放显著高于KO（表1），不同红树树种的种植对底泥环境条件和养分含量也有影响（图1）。SA沉积物的pH和氨氮显著高于KO（图1a和b），水分，盐度，TC，TN，硫酸盐，硝酸盐和铁的含量较低（图1c-h，j）。在SA中大部分理化性质随沉积物的深度变化但在KO中并没有此规律（图1d-f）。

 

 

表1 采样地点、温度和甲烷流量。

图1 泥潭（M），秋茄（KO）和无瓣海桑（SA）沉积物的理化性质。a pH，b铵，c水分，d盐度，e，总碳（TC），f总氮（TN），g硫酸盐，h硝酸盐，i亚硝酸盐，j铁，k亚铁。

 

2 产甲烷和甲烷氧化群落的多样性、组成和结构

为了了解SA沉积物中CH₄排放增加的机制，研究人员对mcrA和pmoA基因序列扩增，分析沉积物中产甲烷和甲烷氧化的群落。从72个样本中分别获得了3204239个和3758651个高质量的mcrA和pmoA序列。将mcrA序列聚类为1450个OUT和31个属，pmoA序列聚为435个OTU和20个属。红树林的种植显著(P<0.05)改变了产甲烷和甲烷氧化群落的α多样性（图2）。SA沉积物中产甲烷和甲烷氧化群落的Shannon指数显著高于KO沉积物。在SA沉积物中α多样性随着深度的增加而增加，在M和KO中没有显著差异（图2a）。

PCoA分析显示产甲烷和甲烷氧化群落在三种生境中被很好地分开，说明红树人工林和红树物种在较高的分类学分辨率上改变了底泥产甲烷和甲烷氧化群落结构，特别是微生物类群结构（图3）。

沉积物的深度也影响产甲烷和甲烷氧化群落的组成。随着深度的增加，SA沉积物中Methanobacterium的相对丰度上升，Methanolobus的相对丰下降，而KO沉积物中对两种菌的趋势相反。尽管甲烷氧化菌在不同深度之间没有差异，Methylocaldum在SA沉积物中的相对丰度随深度的增加而降低，在KO沉积物中的相对丰度随着深度的增加而增加。

 

图2 在M，KO和SA中不同深度沉积物的a产甲烷菌b甲烷氧化菌的香农指数。

图3 产甲烷菌和甲烷氧化菌群落结构的PCoA分析。

 

3 产甲烷菌mcrA和甲烷氧化菌pmoA基因丰度

为了检测底泥中产甲烷菌和甲烷氧化菌的丰度和分布，我们使用实时定量PCR(qPCR)对mcrA和pmoA基因的拷贝数进行了定量。在M或者沉积物中mcrA基因丰度没有显著差异（图4a）。SA沉积物各深度pmoA基因丰度均显著低于KO，这可能与SA沉积物中甲烷氧化菌较少有关（图4b）。虽然M和KO沉积物中mcrA和pmoA基因丰度最高的是10-15 cm层。深度对SA沉积物中CH₄循环微生物的丰度没有显著影响（图4a和b）。SA沉积物的mcrA/pmoA比值是KO沉积物的2.8倍左右（图4c）。

 

图4 KO和SA沉积物中mcrA和pmoA基因丰度。

 

4 甲烷循环的微生物群落分子生态网络

为了进一步探索三种生境之间潜在的微生物相互作用及其差异，利用mcrA和pmoA基因的测序数据构建了网络。SA的网络由2个Methanococcoides，4个Methanobacterium核心模块组成；KO由1个Methanobacterium，2个Methanolobus核心模块组成；M由6个Methanolobus，1个Methanobacterium，1个Methanosarcina和2个Methanoregula组成（图5a）。其中OUT_124丰度最高，在SA中的相对丰度显著低于KO，而OTU_127和OTU_129在SA中的相对丰度显著高于KO，（图5c）。

 

图5 通过模块内连接(ZI)和模块间连接(PI)区分产甲烷菌（a）和甲烷氧化菌（b）节点。关键点(c)的相对丰度在不同生境间存在显著差异。

 

5 产甲烷和甲烷氧化群落环境因子的影响

研究人员通过RDA分析研究甲烷循环微生物群落与环境因素的关系（图6）。发现在M中，pH是影响产甲烷和甲烷氧化群落的一个重要因素；TC、TN和盐度是KO产甲烷和甲烷氧化群落的重要驱动因子；硫酸盐在很大程度上影响了SA的产甲烷群落（图6）。该结果与MRM分析结果一致，盐度对产甲烷群落和甲烷氧化群落的贡献最大，其次是硫酸盐和TN对产甲烷群落的影响，再次是硫酸盐和pH对甲烷氧化群落的贡献（表2）。

为了进一步研究这些关键环境驱动因子(TC、TN、硫酸盐、盐度和pH)与CH4循环微生物群落之间的关系，研究人员进行了线性回归分析。产甲烷和甲烷氧化群落的Shannon指数、PCoA1和丰度与TC、TN、盐度、硫酸盐和pH呈显著相关。这些关键的环境因子对不同的微生物群体有不同的影响。Methanolobus和Ⅱ型甲烷氧化菌与TC、TN、盐度呈正相关，与pH呈负相关。而Methanococcoides和Methanosarcina与TC、TN、盐度、硫酸盐呈负相关，与pH呈正相关。TC、TN和盐度与OUT_124呈正相关，与OUT_127和OUT_124 OUT_129呈负相关。

 

图6 产甲烷菌（a）和甲烷氧化菌（b）与环境因子的RDA分析。

表2 MRM分析确定产甲烷菌和甲烷氧化菌群落环境因子的相对重要性。

 

结论

 

本研究阐明了引进红树物种与本地红树物种相比甲烷排放增加的机制（图7）。SA增加了植物生物量，加速了养分循环，从而降低了沉积物中的养分含量(如TC、TN、硫酸盐)，并改变了环境条件。这些变化影响甲烷循环微生物群落，增加产甲烷群落的多样性，减少甲烷氧化菌的丰度。此外，根分泌物可能会随着SA植物生物量的增加而增加，从而为SA沉积物中的产甲烷菌提供更多的底物。因此，该过程有助于增加CH₄的产量减少CH₄的氧化，从而导致SA沉积物中CH₄排放的增加。这项研究在理解引进红树植物(SA)对沉积物环境、CH₄循环微生物群落和CH₄排放的影响方面取得了重要进展，为选择具有理想生态功能的红树植物植树造林提供了指导。