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黄河三角洲滨海湿地铁循环微生物多样性和电活性

张洪霞  
【摘要】:铁是滨海湿地环境中重要的变价金属元素,铁还原菌和铁氧化菌介导的铁的氧化还原过程与碳、氮等元素的循环相耦合,在生物地球化学循环过程中起到重要的驱动作用。阐明滨海湿地沉积物中铁还原菌和铁氧化菌群落结构的变化和分布特征,及其主要环境驱动因素,对于认识河海交互作用区域铁还原菌和铁氧化菌在生物地球化学循环过程中作用具有重要意义。黄河三角洲作为典型的滨海湿地,是世界上陆-河-海交互作用最活跃的区域之一。本研究以黄河三角洲滨海潮滩湿地、河口及近海沉积物为研究对象,通过对原位土壤/沉积物及其富集培养样品进行基于16S r RNA和r RNA高通量测序以及对原位样品环境因子的测定,解析了滨海区域不同空间和生态演替尺度下细菌群落组成的变化规律,及其主要环境影响因素;分析了河海交互作用区域铁还原菌和铁氧化菌群落结构组成和变化特征;揭示了潮滩湿地不同盐度植物带土壤铁还原菌和铁氧化菌群落结构差异;分离得到具有铁还原能力和电化学活性的团聚体,发现电子穿梭体蒽醌-2,6-二磺酸(AQDS)和活性炭能够明显促进团聚体的胞外电子传递;证实了Geobacteraceae和Methanosarcina mazei的共生体存在于滨海河流沉积物富集体系中。研究中得到的主要结论如下:1、黄河三角洲滨海潮滩湿地、河口及近海不同生态系统沉积物细菌群落组成存在明显差异。在陆地-河流-海洋交互作用的典型滨海区域,细菌群落多样性和空间分布特征受环境因素和生境的影响。河流沉积物中具有最高的细菌丰度和多样性,主要优势菌为在氢、氮、铁循环中起重要作用的Hydrogenophaga、Nitrospira、Pseudomonas和Thiobacillus;潮滩湿地优势细菌主要为耐盐菌Planctomyces、Marinobacter、Halomonas、Salinivibrio和Salinibacter;而Lutimonas、Desulfococcus、Photobacterium、Propionigenium和Vibrio相对丰度在近海沉积物中较高。盐度、p H和SO42-是显著影响滨海区域细菌群落结构变化的环境因素。2、黄河三角洲滨海潮滩湿地铁还原菌和铁氧化菌相对丰度随盐度梯度带的变化呈现不同的变化趋势和分布特征。铁还原菌相对丰度和铁还原能力与土壤盐度呈负相关;反之,铁氧化菌相对丰度与土壤盐度呈正相关。Geobacter、Pseudomonas、Thiobacillus、Bacillus、Anaeromyxobacter和Gallionella、Thermomonas分别为黄河三角洲滨海潮滩湿地较低盐度植物带(白茅-芦苇、芦苇)原位土壤中占主要优势的铁还原菌和铁氧化菌;Bacillus、Desulfovibrio、Clostridum和Marinobacter分别为高盐度植物带(碱蓬、柽柳)原位土壤中占优势的铁还原菌和铁氧化菌。土壤盐度是显著影响滨海湿地铁还原菌和铁氧化菌群落结构的重要环境变量。滨海潮滩湿地低盐度土壤样品具有较高的铁还原活性。3、黄河口及近海不同生态系统沉积物中铁还原菌和铁氧化菌丰度及多样性表现出空间异质性。在河海交互作用区域沉积物中,铁还原菌和铁氧化菌多样性和分布特征显著受环境因子和生境类型的影响。河口沉积物中铁还原菌和铁氧化菌相对丰度和多样性相对高于近海沉积物样品。Pseudomonas、Thiobacillus、Geobacter、Rhodoferax、Clostridium和Azospira、Gallionella、Rhodobacter、Thermomonas分别为河口沉积物中占主要优势的铁还原菌和铁氧化菌;而近海沉积物中占主要优势的铁还原菌和铁氧化菌分别为Vibrio、Shewanella、Thiobacillus和Marinobacter。对富集培养样品分析发现,海洋沉积物样品的铁还原菌相对丰度明显高于河流沉积物样品,海洋沉积物样品具有一定的铁还原活性,但河口沉积物样品的铁还原活性相对高于海洋沉积物样品。说明原位海洋沉积物铁还原菌相对丰度尽管较低,但可能添加铁氧化物能够促进海洋沉积物中某些种类铁还原菌的生长,从而促进其铁还原活性。在河口及近海区域铁循环菌和已知氮循环菌(属水平)呈现出相同的规律性分布特征,在河海交互作用区域(BHB02和YR3)沉积物中铁循环菌和已知氮循环菌相对丰度和多样性都最高,并且铁循环菌和氮循环菌相对丰度可能呈正相关。此外,在黄河口及近海区域,沉积物TN、NH4+-N和NO3--N是显著影响铁还原菌和铁氧化菌群落结构的环境变量。4、在滨海湿地环境中分离到一种由细菌与细菌(Desulfovibrio和Pseudomonas)组成并具有铁还原能力的团聚体C1。在不同类型有机底物(乙酸和乙醇)条件下Desulfovibrio和Pseudomonas相对丰度发生变化;且在乙醇为底物时,团聚体铁还原能力受盐度影响较小。电子穿梭体AQDS和活性炭能够明显促进团聚体C1与Fe(III)氧化物之间的电子传递。团聚体在有透析袋包裹电极的微生物燃料电池中具有较高的电活性,说明其可能通过电子穿梭体进行胞外电子传递。5、通过对滨海河流界河沉积物样品富集培养,并基于16S r RNA/r RNA的分子生物学方法,证实了Geobacteraceae和Methanosarcina mazei的共生体存在于界河沉积物富集体系中,并且在铁还原富集体系中具有铁还原活性和产甲烷能力。微生物种间常以团聚体的形式进行直接种间电子传递,本研究以乙醇为底物时经过3代转接培养,M.mazei和Geobacteraceae形成紧密结合的团聚体,这表明两者可能能够进行直接种间电子传递。界河沉积物富集样品中主要优势细菌和古菌分别为Geobacteraceae、Bacilli和Methanosarcinaceae。


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