Microbial abundance and activity of nitrite/nitrate-dependent anaerobic methane oxidizers in estuarine and intertidal wetlands: Heterogeneity and driving factors  

河口及潮間帶濕地中亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化菌的豐度與活性：異質(zhì)性及驅(qū)動因素  

來源：Water Research, Volume 190, 2021, Article 116737  

《水研究》第190卷，2021年，文章編號116737  

 

摘要內(nèi)容  

研究證實(shí)長江口不同鹽度生境中同時存在兩類n-DAMO微生物：類"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"細(xì)菌（通過pmoA基因量化）和類"Candidatus Methanoperedens nitroreducens"古菌（通過mcrA基因量化）。細(xì)菌pmoA基因豐度（4.0×10?–7.6×10? copies g?1）高于古菌mcrA基因（4.5×10?–9.4×10? copies g?1）。n-DAMO微生物的甲烷氧化活性（硝態(tài)氮依賴型：0.4–32.6 nmol 13CO? g?1 day?1；亞硝態(tài)氮依賴型：0.2–84.3 nmol 13CO? g?1 day?1）在夏季和上游淡水/低鹽度區(qū)域更高。環(huán)境因子分析表明，細(xì)菌豐度與沉積物pH和銨鹽顯著相關(guān)，而總n-DAMO活性受pH、總有機(jī)碳（TOC）、Fe(II)和Fe(III)含量驅(qū)動。此外，n-DAMO過程貢獻(xiàn)了0.5–224.7 nmol N g?1 day?1的氮消除潛力，與厭氧氨氧化（anammox）相當(dāng)。  

 

研究目的  

1. 評估n-DAMO過程在河口及潮間帶濕地甲烷氧化中的重要性；  

2. 揭示n-DAMO微生物豐度與活性的時空分布規(guī)律；  

3. 解析控制n-DAMO過程的環(huán)境驅(qū)動因子。  

 

研究思路  

1. 空間梯度設(shè)計(jì)：沿長江口鹽度梯度選取7個站點(diǎn)（圖1），分為淡水區(qū)（XP、LHK）、低鹽區(qū)（WSK、BLG、夏季DXG）和高鹽區(qū)（YY、LC、冬季DXG）。  

 

2. 季節(jié)對比：于2019年1月（冬季）和7月（夏季）采集沉積物樣品。  

3. 多方法結(jié)合：  

   ? 定量PCR（qPCR）檢測n-DAMO微生物基因豐度（pmoA和mcrA）；  

 

   ? 13CH?穩(wěn)定同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)測定n-DAMO活性；  

 

   ? 沉積物理化性質(zhì)（pH、鹽度、TOC、氮形態(tài)、鐵形態(tài)等）分析。  

 

4. 統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)：通過Pearson相關(guān)性和ANOVA分析環(huán)境因子與微生物參數(shù)的關(guān)聯(lián)性。  

 

測量數(shù)據(jù)及來源  

1. 微生物豐度：  

   ? 細(xì)菌pmoA基因和古菌mcrA基因拷貝數(shù)（圖2a），顯示細(xì)菌豐度普遍高于古菌（圖2d），且無顯著季節(jié)差異（圖2c）。  

 

2. n-DAMO活性：  

   ? 硝態(tài)氮依賴型（古菌）和亞硝態(tài)氮依賴型（細(xì)菌）甲烷氧化速率（圖3a），顯示夏季活性更高（圖3b），且淡水/低鹽區(qū)活性顯著高于高鹽區(qū)（圖3c, e）。  

 

3. 環(huán)境參數(shù)：  

   ? 鹽度、pH、溫度、TOC、NH??、NO??、Fe(II)、Fe(III)等（表1）。  

 

4. 氮去除貢獻(xiàn)：n-DAMO細(xì)菌的氮消除潛力（0.5–224.7 nmol N g?1 day?1），與anammox和反硝化對比。  

 

數(shù)據(jù)研究意義  

1. 微生物豐度（圖2）：證實(shí)兩類n-DAMO微生物在河口濕地廣泛共存，細(xì)菌豐度占主導(dǎo)，為理解碳氮耦合的微生物基礎(chǔ)提供依據(jù)。  

2. 活性空間分布（圖3）：揭示n-DAMO活性沿鹽度梯度遞減，表明上游淡水區(qū)是甲烷氧化的熱點(diǎn)區(qū)域，對濕地甲烷減排策略有指導(dǎo)意義。  

3. 環(huán)境驅(qū)動（表1）：  

   ? pH和TOC顯著影響活性，表明沉積物酸堿度和有機(jī)質(zhì)是調(diào)控n-DAMO過程的關(guān)鍵；  

 

   ? Fe(II)正相關(guān)、Fe(III)負(fù)相關(guān)，提示鐵循環(huán)可能參與n-DAMO代謝途徑。  

 

4. 氮去除潛力：量化n-DAMO對氮消除的貢獻(xiàn)（占總量0.1–14.6%），凸顯其在緩解河口氮污染中的作用。  

 

結(jié)論  

1. 分布規(guī)律：n-DAMO微生物豐度與活性從河口上游向下游遞減（圖2a, 圖3a），夏季活性高于冬季（圖3b）。  

2. 驅(qū)動機(jī)制：細(xì)菌豐度受pH和銨鹽調(diào)控（表1）；總n-DAMO活性由pH、TOC和鐵形態(tài)共同驅(qū)動（表1）。  

3. 生態(tài)功能：  

   ? 作為重要甲烷匯，減少溫室氣體排放；  

 

   ? 貢獻(xiàn)顯著氮消除潛力（與anammox相當(dāng)），緩解人為氮污染。  

 

4. 耦合機(jī)制：沉積物-水界面的氧梯度促進(jìn)氨氧化菌與n-DAMO細(xì)菌的互作，支持亞硝態(tài)氮供應(yīng)（圖4）。  

 

Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

研究中采用丹麥Unisense OX-N微電極檢測沉積物預(yù)培養(yǎng)后的溶解氧，確保實(shí)驗(yàn)體系為嚴(yán)格厭氧條件。其核心意義在于：  

1. 排除好氧氧化干擾：驗(yàn)證缺氧環(huán)境，保證觀測到的13CO?生成僅源于厭氧甲烷氧化（n-DAMO），避免好氧過程對數(shù)據(jù)的污染。  

2. 保障實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性：電極的高靈敏度（檢測限≈0.1 μM）確保微量氧被有效監(jiān)控，為同位素示蹤結(jié)果的可靠性提供關(guān)鍵質(zhì)控。  

3. 支持機(jī)制解析：證實(shí)n-DAMO在自然沉積物厭氧微環(huán)境中的活性，深化了對河口濕地碳氮耦合過程的認(rèn)知。