崇西湿地不同植物群落对甲烷厌氧氧化作用和功能菌群的影响

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湿地是大气甲烷最大的自然源,而甲烷的氧化能有效地减少甲烷排放量,减缓因温室效应而带来的全球气候变暖。在湿地土壤中,CH4在厌氧生境中由产甲烷菌形成以后,在途经土壤和水层扩散时可被栖息于其间的甲烷厌氧氧化氧化为CO2,因此,甲烷的厌氧氧化作用是减少湿地CH4排放的主要途径之一。为深入了解湿地不同植被土壤的甲烷厌氧氧化作用(Anaerobic oxidation of methane,AOM)及甲烷厌氧氧化菌(Anaerobic MethanotrophicArchaea,ANME archaea)群落结构特征,本文以崇西湿地光滩、芦苇群落(Phragmites australis)和落羽杉群落(Taxodium distichum)为研究对象,结合野外调查与实验室培养的方法,应用分子生物学手段(包括定量PCR、变性梯度凝胶电泳技术和克隆文库分析技术),较系统的研究了不同植物群落湿地土壤不同土层(0-10、10-20、20-30、30-40、40-50cm)的理化性质、甲烷厌氧氧化潜力、甲烷厌氧氧化菌群落丰度和结构多样性的影响,获得以下主要研究结果:1)芦苇和落羽杉湿地上层土壤(0-20cm)的有机碳、总氮和微生物量碳含量高于下层土壤(30-50cm),芦苇和光滩湿地的SO2-4含量随土层增加而下降,落羽杉则呈相反趋势。同时,植被显著影响了土壤理化性质:芦苇和落羽杉湿地土壤的有机碳、总氮和微生物量碳含量均高于光滩湿地。虽然芦苇湿地的有机碳和总氮含量和落羽杉湿地没有显著差异,但是微生物量碳含量则显著高于后者。芦苇和光滩湿地的总铁均小于落羽杉湿地,芦苇和光滩湿地的SO2-4含量在0-30cm均高于落羽杉湿地,而在30-50cm均低于落羽杉湿地。以上实验结果表明:三种湿地土壤不同土层的理化性质存在显著差异。究其原因主要与植被类型、土壤厚度、土壤微生物等影响因素有关;2)不同湿地土壤的甲烷厌氧氧化潜力随土壤厚度的增加变化显著:0-10cm土层,光滩、芦苇和落羽杉湿地土壤的甲烷厌氧氧化潜力的变化范围在12.0-24.0nM/g.d,变化趋势为光滩>芦苇>落羽杉;其余四个土层10-20cm、20-30cm、30-40cm和40-50cm的甲烷厌氧氧化潜力变化趋势均为落羽杉>芦苇>光滩,并且,落羽杉湿地土壤的甲烷厌氧氧化潜力变化范围为12.0-35.0nM/g.d,显著高于光滩和芦苇湿地(P<0.05)。线性回归分析表明:植被类型、土层和总氮含量显著(P<0.05)影响湿地土壤甲烷厌氧氧化潜力的变化,其中,总氮含量与甲烷厌氧氧化潜力呈负相关。3)通过DGGE实验结果表明,芦苇和落羽杉湿地优势菌株多集中于20-50cm的深层土壤中,0-10cm的条带普遍较少,光滩湿地不同土层的优势菌株较少且差异不显著;聚类分析结果显示,三个湿地土壤的条带总体分为0-10cm和10-40cm和40-50cm这三类。香农指数多样性分析显示,光滩、芦苇和落羽杉湿地土壤不同土层的ANME古菌群落香农多样性指数均随土层深度的增加而增大,并且芦苇和落羽杉湿地在0-40cm土层的香农指数多样性均显著高于光滩湿地。4)通过对16S rRNA基因克隆文库的分析表明:不同湿地土壤ANME微生物群落主要分为广古菌门(Euryarchaeota)和泉古菌门(Crenarchaeota)。光滩湿地40-50cm土层的ANME古菌群落单独分为一支。0-10cm的微生物种类较少,只属于热变形菌纲(Thermoprotei)。10-40cm微生物种类较多;芦苇湿地中,40-50cm土层的甲烷厌氧氧化菌种类均属于泉古菌门,10-20与20-30cm土层的种属则归属于广古菌门和泉古菌门两个古菌门;落羽杉湿地中,广古菌门种属仅出现在30-40cm,而泉古菌门种属在10-50cm土层中均有出现。三个湿地土壤20-40cm土层的香农多样性指数较高;虽然光滩湿地的ANME古菌群落多样性高于芦苇和落羽杉湿地,但其优势菌的数量要低于后者。因此,土壤深度和植被类型是决定湿地土壤ANME古菌分布的重要因素;5)通过对ANME古菌16S rRNA基因的荧光定量PCR结果显示,16S rRNA基因拷贝数变化范围为9.1×104copies/ng-6.8×105copies/ng DNA之间。其中,光滩0-10cm土层的16S rRNA基因拷贝数最大,为4.44×105copies/ng DNA;10-20cm和20-30cm土层,芦苇的16S rRNA基因拷贝数最高,分别为8.83×105copies/ng DNA和7.98×105copies/ng DNA。30-40cm土层,芦苇和落羽杉湿地的16S rRNA基因拷贝数显著高于光滩,分别为4.67×105copies/ng DNA和4.80×105copies/ng DNA,且二者差异不显著。40-50cm土层,16S rRNA基因拷贝数变化趋势为芦苇>落羽杉>光滩。将同植物湿地土壤的16S rRNA基因拷贝数进行比较,变化趋势为:光滩0-10cm土层的16S rRNA基因拷贝数高于芦苇和落羽杉湿地,而10-50cm土层的16S rRNA基因拷贝数则显著低于后者。线性回归分析表明,土壤深度显著影响ANME古菌群落的丰度,总氮和微生物量碳含量与ANME古菌群落丰度呈负相关。
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