长江口沉积物甲烷厌氧氧化过程及其影响机理

河口滨岸是海洋与陆地的重要过渡区域,对生物地球化学循环和生态服务功能有着重要的作用,被称作为"地球关键带"。甲烷是一种重要的温室气体,在百年尺度上的增温潜势是为二氧化碳的28-34倍。河口滨岸环境是大气甲烷的一个重要来源,因此,河口滨岸环境甲烷的生物地球化学循环一直以来都备受人们的关注。近年来,受人类活动影响,大量的营养盐进入到河口滨岸带,进一步加重了河口环境富营养化问题。此外,河口滨岸环境中各种物理、化学和生物等因素变化剧烈,这些环境因子的改变又潜在地影响甲烷的生物地球化学循环过程。因此,开展河口滨岸环境的甲烷生物地球化学循环过程研究是当今国际上的热点和前沿科学问题。长期以来,自然环境中甲烷的有氧氧化被认为是甲烷去除的唯一途径。但是,近年来有关甲烷的厌氧氧化过程的发现及其对环境影响大量报道,并引起了学术界的广泛关注。甲烷的厌氧氧化,是指在水生态环境中,硫酸盐、硝酸盐和铁锰氧化物还原作用下氧化甲烷,并释放吉布斯自由能的过程,这些厌氧氧化过程能够消耗水生态环境中的大部分甲烷,对生态系统环境有着不可忽视的影响。目前,有关甲烷的厌氧氧化的报道主要集中于淡水湿地和湖泊,而对河口滨岸环境甲烷的厌氧氧化过程还缺乏系统研究,环境因子调控和微生物作用机理的认识还不甚清楚。鉴于此,本研究以长江口为典型研究区,开展河口环境甲烷的厌氧氧化过程研究,揭示河口环境甲烷厌氧氧化过程的空间变异和时间变化、环境调控影响与微生物作用机理,并阐明甲烷厌氧氧化在河口环境的地位作用与生态环境效应。研究成果不仅进一步深化河口环境甲烷的生物地球化学循环过程的认识,还可为准确评估河口环境甲烷排放提供理论依据。本研究取得的主要研究成果与认识包括:(1)长江口潮滩环境因子中,盐度是影响沉积物甲烷产生和氧化的关键因素。甲烷产生具有显著的空间差异和时间变化特征。稳定同位素示踪实验结果表明硫酸盐氧化甲烷的速率高于硝酸盐氧化甲烷的速率。硝酸盐氧化甲烷空间上表现出在低盐度环境速率高,高盐度低;而硫酸盐氧化甲烷表现出在低盐度环境速率低,高盐度高。硝酸盐氧化甲烷占总厌氧氧化的的1.01-11.09%,硫酸盐氧化甲烷量占总厌氧氧化量的28.7-58.9%,硫酸盐氧化甲烷是其主要过程。微生物量碳、可溶性有机碳、硫化物、硝酸盐和硫酸盐显著影响甲烷厌氧氧化过程。沉积物甲烷产生与革兰氏阳性菌、总细菌、丛枝根真菌和总微生物的含量相关;细菌/真菌比值是影响硝酸盐氧化甲烷过程的主要因素;而丛枝根真菌和总微生物是影响硫酸盐氧化甲烷过程的主要因素。(2)潮汐过程对沉积物理化性质的改变产生较大的影响,对铁的还原和硫酸盐还原过程作用明显。同时,在不同潮滩位置空间变化上,沉积物还原能力在低潮滩最为明显,具体表现为二价铁和硫化物含量最高。沉积物产甲烷菌和甲烷氧化菌在深层沉积物环境的丰度较高,而硫酸盐还原菌和铁还原菌基因丰度在浅层沉积物环境较高。此外,沉积物甲烷产生和厌氧氧化受潮汐作用的深刻影响。地下沉积物和孔隙水甲烷也随潮汐波动发生变化,具体表现为涨潮促进了甲烷的产生和氧化。因此,潮汐循环过程也是影响潮滩甲烷产生与氧化的关键因素。(3)同位素示踪实验表明长江口沉积物硝酸盐氧化甲烷(NAMO)存在,该过程活性表现为从长江口内向口外逐渐降低。沉积物地球化学性质,尤其是硝酸盐浓度水平显著地影响NAMO。分子生物学技术进一步证明了长江口沉积物NAMO的存在。M.oxyfera-like细菌16SrRNA基因中groupB占到了主要部分,有别于陆地水生态环境为group A占据主导。此外,盐度是导致种群结构从河口内向口外发生变化的关键因子。M.oxyfera-like细菌pmoA基因显著地影响NAMO潜在速率,说明此功能基因主导着该过程的发生。通过定量估算,长江口每年大约有0.12Gg CH4通过硝酸盐去除,占到甲烷产生量的1.2-6.9%。此外,通过甲烷与硝酸盐化学反应计量学,每年大约有0.17-0.28 GgN通过NAMO去除,占到了总脱氮0.11-0.19%。该研究结果说明长江口 NAMO过程对甲烷和硝酸盐都扮演着汇的重要作用。此外,在河口地区,由人为活动导致的不断增加的硝态氮将会潜在地提升NAMO过程的环境重要性。(4)长江口沉积物甲烷厌氧氧化速率随着基质甲烷浓度水平的降低而降低。厌氧发生区沉积物对甲烷厌氧氧化潜在速率高于非厌氧发生区沉积物,说明厌氧发生过程对沉积物甲烷厌氧氧化起着重要的作用。厌氧发生区与非厌氧发生区沉积物产甲烷菌和甲烷氧化菌种群有着明显的差异。厌氧发生区沉积物中产甲烷菌主要为Methanothermobacter、Methanogenium和Methanoregula;非厌氧发生区沉积物中产甲烷菌主要为Methanomicrobiu、Methanoculleus和Methanogeniums。厌氧发生区沉积物中甲烷氧化菌群主要为Methylomicrobium、Methylospaera和Methylocaldum;非厌氧发生区沉积物中甲烷氧化菌群主要为Methylocella和Methylocapsa。通过相关性统计分析表明,厌氧发生区和非厌氧发生区水体中溶解氧是影响甲烷厌氧氧化的关键因子;沉积物总有机碳是影响相关功能基因丰度的主要因素,而铁还原、硫酸盐还原以及甲烷氧化菌的功能基因丰度水平显著地影响甲烷厌氧氧化速率。

生物地球化学循环; 甲烷; 厌氧氧化; 功能基因; 长江口;

国家自然科学;

刘敏; 侯立军;

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