Effects of periodic drying-wetting on microbial dynamics and activity of nitrite/nitrate-dependent anaerobic methane oxidizers in intertidal wetland sediments  

周期性干濕交替對潮間帶濕地沉積物中亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化菌微生物動態(tài)及活性的影響  

來源：Water Research, Volume 229, 2023, Article 119436  

《水研究》第229卷，2023年，文章編號119436  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過模擬潮汐周期（水淹、干燥、再淹）實(shí)驗(yàn)，探究長江口潮間帶沉積物中n-DAMO（亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化）微生物群落、豐度及活性的響應(yīng)機(jī)制。主要發(fā)現(xiàn)：  

微生物多樣性：再淹條件（Reflooded）下n-DAMO細(xì)菌（Methylomirabilis）和古菌（Methanoperedens）多樣性顯著高于連續(xù)水淹或干燥。  

 

豐度與活性：水淹條件下n-DAMO微生物豐度（pmoA/mcrA基因）和活性（13CO?生成速率）顯著高于干燥條件（圖2, 3）。再淹可恢復(fù)n-DAMO活性，表明微生物代謝具有韌性。  

 

 

調(diào)控機(jī)制：  

 

水淹期：n-DAMO活性與微生物豐度及底物（NO??/NO??）有效性正相關(guān)（圖4a）。  

 

 

干燥期：沉積物鹽分積累是抑制活性的主因（圖4b）。  

環(huán)境意義：n-DAMO過程可消耗長江口潮間帶17.1–18.1%（水淹）和5.7–6.6%（干燥）的甲烷通量，對緩解溫室效應(yīng)具有重要作用。  

 

研究目的

揭示周期性干濕交替對n-DAMO微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度及活性的影響。  

 

解析干濕交替下n-DAMO過程的調(diào)控因子及機(jī)制。  

 

量化n-DAMO對潮間帶濕地甲烷減排和氮去除的貢獻(xiàn)。  

 

研究思路

樣品與實(shí)驗(yàn)設(shè)計：  

 

采集長江口崇明東灘潮間帶沉積物巖芯（0–10 cm），設(shè)置四組處理：  

 

未處理（UC）、連續(xù)水淹（WC）、干燥（DC）、再淹（RC）（圖1b）。  

 

 

模擬半農(nóng)歷潮周期：水淹5/10/15天，干燥10/20/30天，再淹含兩個干濕循環(huán)（10天干燥+5天水淹）。  

關(guān)鍵參數(shù)測量：  

 

環(huán)境因子：鹽度、pH、水分、CH?通量、NH??/NO??/NO??、Fe(II)/Fe(III)、硫化物等。  

 

微生物分析：  

 

基因測序：靶向n-DAMO細(xì)菌pmoA和古菌mcrA基因。  

 

qPCR定量：pmoA/mcrA基因豐度（圖2）。  

 

n-DAMO活性：13CH?標(biāo)記法測定硝酸鹽-DAMO和亞硝酸鹽-DAMO速率（圖3）。  

統(tǒng)計與模型：  

 

主成分分析（PCA）評估環(huán)境因子差異。  

 

結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）解析驅(qū)動機(jī)制（圖4）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

環(huán)境因子數(shù)據(jù)  

 

數(shù)據(jù)：干燥組（DC）鹽度最高（平均2.36‰），水淹組（WC）Fe(II)（14.86–23.63 mmol kg?1）和硫化物（0.11–2.23 μmol g?1）顯著高于干燥組。  

 

意義：證實(shí)干燥導(dǎo)致鹽分積累，水淹促進(jìn)還原環(huán)境形成，為n-DAMO活性差異提供環(huán)境背景。  

微生物豐度（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：  

 

pmoA基因豐度：水淹組（WC）最高（6.7×10?–3.8×10? copies g?1），干燥組（DC）最低（5.9×10?–1.9×10? copies g?1）。  

 

mcrA基因豐度：水淹組（4.4×10?–2.6×10? copies g?1）顯著高于干燥組（3.9×10?–1.0×10? copies g?1）。  

 

意義：水淹條件促進(jìn)n-DAMO微生物生長，干燥抑制其生存。  

n-DAMO活性（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：  

 

亞硝酸鹽-DAMO速率：水淹組6.8–11.8 nmol 13CO? g?1 d?1，干燥組降至1.5–3.2 nmol 13CO? g?1 d?1。  

 

再淹后活性恢復(fù)（RC2期較RC1增加30–50%）。  

 

意義：潮汐淹沒是n-DAMO活性的關(guān)鍵驅(qū)動力，再淹證明微生物代謝具有韌性。  

驅(qū)動機(jī)制（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：  

 

SEM模型顯示：水淹期NO??直接促進(jìn)硝酸鹽-DAMO活性（路徑系數(shù)0.68），干燥期鹽度通過降低mcrA豐度間接抑制活性（路徑系數(shù)-0.54*）。  

 

意義：明確干濕交替下n-DAMO活性的差異化調(diào)控機(jī)制，為濕地管理提供理論依據(jù)。  

 

結(jié)論

干濕交替的影響：  

 

水淹條件顯著提升n-DAMO微生物豐度及活性，干燥抑制活性（鹽分積累為主因）。  

 

再淹后活性恢復(fù)，表明n-DAMO微生物對干濕交替具有代謝韌性。  

微生物響應(yīng)：  

 

n-DAMO細(xì)菌（Methylomirabilis）對干濕變化更敏感，古菌（Methanoperedens）適應(yīng)性較強(qiáng)。  

 

再淹條件提高微生物多樣性。  

環(huán)境貢獻(xiàn)：  

 

n-DAMO消耗長江口潮間帶17.1–18.1%（水淹）和5.7–6.6%（干燥）的甲烷排放，同時貢獻(xiàn)5.6%的氮去除。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中采用Unisense OX-N微氧針式傳感器（方法2.4節(jié)）測量沉積物預(yù)培養(yǎng)瓶內(nèi)溶解氧（DO）：  

嚴(yán)格厭氧條件驗(yàn)證：  

 

數(shù)據(jù)：預(yù)培養(yǎng)后瓶內(nèi)DO濃度≤0.3 μM（檢測限附近）。  

 

意義：確保13CH?標(biāo)記實(shí)驗(yàn)在嚴(yán)格厭氧環(huán)境下進(jìn)行，避免氧氣干擾n-DAMO過程（因n-DAMO為厭氧過程）。  

方法學(xué)可靠性保障：  

 

數(shù)據(jù)：通過四組額外樣品實(shí)時監(jiān)測DO，確認(rèn)預(yù)培養(yǎng)有效去除殘留氧氣。  

 

意義：Unisense微電極的高靈敏度（μM級）和微創(chuàng)特性（針式探頭）保障了同位素示蹤結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免因氧污染導(dǎo)致13CO?生成速率低估。  

 

核心價值：Unisense電極提供了原位、實(shí)時的溶解氧監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)方法（如化學(xué)試劑）無法連續(xù)追蹤微量氧變化的難題，為厭氧生物地球化學(xué)過程研究提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。