东海潮间带亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化细菌的时空分布外文翻译资料

 2022-02-23 20:10:21

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东海潮间带亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化细菌的时空分布

王嘉琪 1沉立东1詹飞飞1 胡佳杰1昭阳蔡1平正1胡宝12

摘要 亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（N-DAMO）与厌氧甲烷氧化和亚硝酸盐还原相结合，是最近发现的生物过程耦合微生物氮和碳循环。这种微生物过程的发现挑战了全球甲烷汇和氮损失的传统知识。在这项研究中，研究了N-DAMO细菌的丰度和活性，并估算了它们对东海潮间带不同季节和不同分区的甲烷汇和氮损失的贡献。结果表明，N-DAMO细菌在潮间带广泛持续存在，细胞数从5.5times;104 到2.8times;105 拷贝gminus;1 土壤，潜在活性范围从0.52至5.7nmol CO gminus;1 土壤日minus;1 ，在潮间带中贡献5.0-36.6％的亚硝酸盐和硫酸盐依赖性厌氧甲烷氧化。N-DAMO活动及其对甲烷消耗的贡献在春季和低潮间带最高。这些研究结果表明，N-DAMO过程是潮间带中重要的甲烷和氮沉降，并随着季节和潮间带的分区而变化。

关键词 亚硝酸盐依赖性厌氧甲烷氧化（N-DAMO）空间和时间分布 潮间带 甲烷和氮

1背景

甲烷是一种重要的温室气体，其温室效应潜力约为等 摩尔CO2 的20至30倍（IPCC）2001).甲烷占全球温室效应的约20％（Knittel和Boetius2009).此外，它向大 气中的排放量每年增加1％（Borrel等人。2011).根据 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的最新报告，甲烷的大气浓度接近1800 ppb（IPCC）2014).

亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（N-DAMO），使用亚硝酸盐作为电子受体来驱动甲烷的厌氧氧化，构成了微生物氮和碳循环之间的独特联系（Raghoebarsing等。2006;Ettwig等。2008, 2010).N-DAMO细菌可将甲烷氧化成二氧化碳，从而减少温室气体的排放。它已被证明是甲烷的微生物吸收剂。淡水湿地（Hu et al。2014).另外，NDAMO工艺还可以去除无机含氮污染物，缓解由此引起的富营养化和氮污染（Luesken等。2011)。对N-DAMO过程的研究一直关注N-DAMO细菌的富集和 代谢机制，以及N-DAMO过程在自然生态系统中的分布。最近，出版了关于N-DAMO 细菌环境分布的文献综述（Welte等。2016).例如，N-DAMO细菌主要存在于康斯坦斯湖和琵琶湖的沉积物的深层。汉和顾（2013）基于新设计的pmoA基因引物组，证实了稻田土壤中的N-DAMO细菌， 淡水水库，芦苇床和污水处理厂的污泥。然而，这些栖息地的N-DAMO细菌表现出低水平的多样性。研究还表明，N-DAMO细菌广泛存在于不同的淡水湿地中;这些细菌表现出低多样性但丰度高（Hu et al。2014).在一条淡水河 - 钱塘江（中国）也报道了N-DAMO细菌的存在（Shen et al。2014a），并且在沉积物中显示出相对较高的N-DAMO细菌多样性。此外，最近的四项研究报告了海洋生态系统中存在N-DAMO细菌，如椒江口沉积物（Shen et al。2014c），南海的深海沉积物（Chen et al。2015），杭州湾沉积物（Shen et al。2016），以及墨西哥北部和哥斯达黎加附近的海洋氧 气最小区域（Padilla et al。2016).这些研究表明， N-DAMO细菌广泛存在于不同的栖息地，但主要集中在N-DAMO细菌的空间分布，忽略了它的时间分布。这些结果不足以得出自然生态系统中N-DAMO细菌的分布特征，尤其是海洋生态系统中的分布特征。N-DAMO在自然生态系统中的分布以及环境因素对N-DAMO的影响需要进一步研究。

潮间带是海洋沿岸生态系统的典型区域;这是一个非常狭窄的区域，但陆地和海洋之间的生产力很高。潮间带是一个开放系统，其碳固定率相对较高。该区域为许多微生物提供能量来源，因为它从陆地接收大量有机物质，潮汐的节奏导致沉积物每天被淹没或暴露在空气中。这些条件导致潮汐平原中不同的栖息地类型和丰富的生物量（Metaxas和Scheibling1993).

为了研究季节变化和人类活动对N-DAMO过程和沿海沉积物中N-DAMO细菌分布的影响，研究了舟山群岛的潮间带（图S1）。这些岛屿位于杭州湾口，经过许多主要城市的钱塘江。与图S1中可见的密集建筑一起，我们推测这些潮间带必须受到人为无机养分输入的严重影响。此外，还研究了不同季节（春季，夏季，秋季和冬季）和不同分区（潮间带和潮下带）对N-DAMO的丰度，活性和贡献率的影响。

2材料和方法

2.1样品采集

2013 年 5 月， 8 月， 11 月和 2014 年 2 月在潮间带 （N29°56#39;22.53“E122°15#39;48.16”，包括中低潮带）和潮下带采集沉积物。取样ZSA1和ZSA2从潮汐中区收集ZSB2和ZSB1，从低潮汐区收集，ZSC1和ZSC2取自潮下带（图S2）。通过使用蛤壳式挖泥机收集顶部10cm的沉积物并充分混合。将每个样品分成三部分：一部分用于立即活性测试，一部分储存在4℃用于物理化学分析，另一部分在-20℃冷冻用于分子分析。收集的沉积物的特征描述于表S1中（Hu et al。2012;沉等人。2013).

2.2物理和化学分析

使用 pH 计（ IQ150 ， IQ Scientific Instruments ， Inc.，Carlsbad，CA，USA）原位测量沉积物的pH，温 度和氧化还原电位。电导率 - 温度 - 深度（CTD）系统用于测量地表水盐度。如前所述测量沉积物的总氮， 总磷，铵，亚硝酸盐和硝酸盐（Hu et al。2014).

2.3 DNA提取和PCR扩增

使用PowerSoil DNA试剂盒（MO BIO Laboratories， Carlsbad，CA）根据制造商的说明书进行基因组DNA提取。巢式聚合酶链式反应（PCR）用于N-DAMO细菌16S 核糖体RNA（rRNA）基因扩增。第一轮PCR扩增使用N- DAMO特异性引物202F（Ettwig等。2009）和细菌1545R 的通用引物（Juretschko等。1998).N-DAMO特异性引物组qP1F和qP2R（Ettwig等。2009）在第二轮使用。PCR热循环程序在94℃下进行初始熔化步骤4分钟，然后进行30个循环，在94℃变性1分钟，在57℃退火（对于引物组202F-1545R ） / 65° C （ 对于引物组qp1F- qP2R）1分钟，并在72℃延伸1分钟（Luesken等人。2011).本研究中使用的引物的具体信息如表S2所示。

2.4克隆和测序

根据制造商的说明将PCR 产物连接到PMD19-T 载体（TaKaRa Bio）上。如前所述，通过蓝白色筛选选择阳性克隆（He等人。2015a）然后测序（Invitrogen生物技术有限公司，中国上海）。

2.5定量PCR

选择2013年5月收集的样品进行定量PCR。N-DAMO特异性引物组qP1F和qP1R（Ettwig等。2009）用于量化沉积物中N-DAMO细菌的丰度。本研究中使用的引物的具体信息如表S2 所示。用于定量PCR 的仪器是iCycler iQ5（Bio-Rad，California，USA）。PCR反应系统如前所述（Shen et al。2014b).用一系列具有已知拷贝数的10倍稀释的质粒DNA构建标准曲线。

2.6系统发育分析

MEGA 6.0（田村等人。2013）软件用于分析序列数据。使用邻接法进行系统发育分析，并通过bootstrap分析（1000次重复）测试树拓扑的稳健性。

2.7统计分析

DOTUR计划（Schloss和Handelsman2005）用于分类16S rRNA基因。使用97％核苷酸序列同一性的截止值将序列分类为操作分类单位（OTU）。使用DOTUR软件计算Shannon指数和Chao1指数。如前所述计算克隆文库的覆盖率（ He 等人。 2015a). 使用CANOCO 软件（ ter Braak和Scaron;milauer）确定N-DAMO细菌群落与环境因子之间的相关性2002）冗余分析（RDA）。

2.8活动测试

将每个样品的10克沉淀物转移到75-mL血清瓶中;然后， 加入45mL过滤的海水，留下20mL顶空。冲洗氦气20-30 分钟，以替换血清瓶和沉淀物浆液中的空气。每个血清加入B组血清瓶（最终浓度将0.1mmol Lminus;1）和缺氧SO 2minus; 溶液加入到C组血清瓶中（终浓度5mmol Lminus;1 ）。用2mL CH 修改每个瓶子（Hu 等人。2014).

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将实验组在黑暗中在摇床上在室温下以140rpm温育。大约每3-12小时进行一次采样分析。GC-MS（Agilent 7890A inert MSD; Agilent，USA）用于测定血清瓶中的 13CO 和 13CH 。 13A组中产生的CO 应扣除以计算B 组和C组产生的净 13CO 。如前所述测量每个血清瓶中沉淀物的干重（Shen）等。2014b).

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2.9核苷酸序列登录号

本研究中报道的序列已经以登录号KY458577-KY458623 保藏在GenBank数据库中。

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