渤海及其入海河流沉积物中铁还原菌电活性及产甲烷菌多样性的研究

论文摘要

甲烷是一种重要的温室气体,可以由产甲烷菌产生,滨海河流沉积物是其重要的潜在来源。传统观念认为,铁氧化物能够与产甲烷过程竞争电子,从而抑制甲烷产生。本研究团队前期的工作显示,在异化铁还原菌存在并适合胞外电子传递发生的条件下,可以种间通过直接电子传递的方式促进甲烷产生。因此,揭示该区域内铁还原菌多样性及其电活性、产甲烷菌多样性及其产甲烷类型,并尝试解析铁氧化物转化过程对甲烷产生过程的影响,对于评估河海交互区域温室气体排放潜力,阐明生物地球化学碳、铁耦合循环具有至关重要的科学意义。本研究以受人为活动影响明显的渤海及其入海河流沉积物为研究对象,分析了滨海河流不同区域的沉积物中铁还原菌的多样性,并分离得到一株新的具有电活性的铁还原菌;揭示了铁氧化物在厌氧产甲烷条件下的转化规律;解析了渤海不同断面沉积物中产甲烷菌的空间分布规律,以及由河到海空间与盐度梯度条件下产甲烷菌多样性与产甲烷类型的变化规律。在研究过程中获得的主要结论如下:1、通过对滨海河流沉积物中电活性铁还原微生物的研究,结果发现界河沉积物Jh2、Jh3样品具有明显的铁还原活性;克隆文库表明两个位点具有特征性的铁还原细菌群落结构,Jh2样品中铁还原菌主要以Geobacter sp.为主;而Jh3样品中铁还原菌主要以Clostridium sp.为主;并在滨海河流沉积物中,分离得到了一株具有电活性的铁还原菌（JhA）。以上结果拓展了对于Anaerosinus sp.这一新菌种电活性的认识;同时,环境中新分离得到具有电活性的铁还原微生物,将为重金属环境修复提供菌株来源,具有潜在的应用价值。2、通过对磁铁矿在滨海河流沉积物产甲烷体系中产生与转化的研究,发现了该体系内含有铁还原微生物与产甲烷菌。其中,铁还原微生物在无定形铁存在情况下,与产甲烷菌竞争电子,从而抑制甲烷产生;但随着无定形铁转化为磁铁矿,产甲烷体系中具备了磁铁矿介导的胞外电子传递条件,从而促进了甲烷产生;而磁铁矿本身也可以作为电子受体,被铁还原菌还原竞争电子,抑制了前期甲烷产生。研究结果揭示了产甲烷菌群中磁铁矿的产生和转化对其中铁还原菌和产甲烷古菌间电子传递过程的影响。3、通过对渤海不同海域沉积物中微生物群落多样性与产甲烷潜力的研究表明,海底沉积物中微生物T-RFs片段相近,但其群落在空间分布上存在差异;沉积物中可提取态总铁对细菌群落结构具有显著影响,但未有显著影响古菌群落的环境因子;样品中脱硫弧菌（Desulfovibrio）和硫杆菌属（Thiobacillus）是主要优势细菌,甲烷杆菌属（Methanobacterium）和甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）是主要优势古菌;富集过程中不同区域沉积物样品产甲烷量不同,表现为近岸样品产甲烷量较高。由以上结果推测,渤海沉积物中细菌尤其是与铁循环相关细菌可能是影响产甲烷潜力的重要因素;同时,人为活动,如水产养殖,污水排放等造成的有机物输入,可能增加了近海区域甲烷排放潜力。4、通过对渤海及其入海河流沉积物中产甲烷菌多样性的研究,结果发现由河到海过程中产甲烷菌多样性降低,且营养类型由复杂到单一;河海环境中甲基营养型产甲烷菌存在差异性,渤海中以甲烷类球菌属（Methanococcoides）为主,而黄河以甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）为主;在海水富集培养过程中海洋样品仍以Methanosarcina为主,而河流样品却以未在原位样品中检测到的甲烷叶菌属（Methanolobus）为主,该结果说明,渤海沉积物中产甲烷菌并非主要来源于黄河。同时,在河海环境中均分离得到梅氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina mazei）,说明该菌种具有良好的环境适应性,而且可能是滨海环境中重要的产甲烷菌与碳循环参与者。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 温室气体甲烷
•   1.2 产甲烷菌及其代谢途径
•     1.2.1 产甲烷古菌与传统代谢途径
•     1.2.2 “电子驱动甲烷产生”机制
•   1.3 铁还原微生物
•     1.3.1 铁还原菌多样性
•     1.3.2 模式菌株及最新研究进展
•     1.3.3 铁氧化物在产甲烷体系中的转化
•   1.4 渤海及其入海河流
•     1.4.1 渤海现状
•     1.4.2 渤海入海河流现状
•   1.5 本论文的研究内容、意义与技术路线图
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 研究意义
•     1.5.3 技术路线图
• 第2章 材料方法
•   2.1 研究区域概况及样品采集
•     2.1.1 研究区概况
•     2.1.2 样品采集
•   2.2 测定方法
•     2.2.1 沉积物理化特性测定
•     2.2.2 气相色谱测定
•     2.2.3 液相色谱测定
•     2.2.4 X射线衍射（XRD,X-ray diffraction）分析
•   2.3 富集培养
•     2.3.1 培养方法
•     2.3.2 无定形铁合成方法
•     2.3.3 培养基配制
•     2.3.4 分离纯化
•     2.3.5 扫描电镜
•     2.3.6 电活性检测
•   2.4 分子生物学方法
•     2.4.1 沉积物样品DNA提取
•     2.4.2 纯菌DNA提取
•     2.4.3 样品RNA提取与反转录
•     2.4.4 T-RFLP分析与克隆文库
•     2.4.5 高通量测序
•     2.4.6 数据分析
• 第3章 滨海河口沉积物中电活性铁还原菌
•   3.1 前言
•   3.2 结果
•     3.2.1 沉积物理化性质
•     3.2.2 沉积物铁还原活性
•     3.2.3 样品原位与富集后细菌群落多样性
•     3.2.4 克隆文库构建
•     3.2.5 铁还原微生物的分离
•     3.2.6 铁还原菌JhA的电活性
•   3.3 讨论
•   3.4 小结
• 第4章 滨海河口沉积物产甲烷菌群中磁铁矿的产生和转化
•   4.1 前言
•   4.2 结果
•     4.2.1 铁氧化物对产甲烷的影响
•     4.2.2 甲烷菌群中微生物群落结构
•     4.2.3 铁氧化物在产甲烷体系中的转化
•   4.3 讨论
•   4.4 小结
• 第5章 渤海不同区域沉积物古菌的多样性分析
•   5.1 前言
•   5.2 结果
•     5.2.1 沉积物样品理化性质
•     5.2.2 样品中微生物多样性
•     5.2.3 微生物群落结构主成分分析
•     5.2.4 微生物群落结构与环境因子相关性分析
•     5.2.5 不同区域沉积物产甲烷量的变化
•   5.3 讨论
•   5.4 小结
• 第6章 由河到海过程中产甲烷菌的盐适应规律
•   6.1 前言
•   6.2 结果
•     6.2.1 黄河与渤海沉积物原位样品中古菌多样性
•     6.2.2 由河到海过程中产甲烷菌空间变化及环境因子的影响
•     6.2.3 富集沉积物产甲烷量的变化
•     6.2.4 培养后产甲烷菌群落变化
•     6.2.5 产甲烷菌的分离
•   6.3 讨论
•   6.4 小结
• 第7章 结论与展望
•   7.1 本研究的主要结论
•   7.2 本论文的主要创新点
•   7.3 本论文存在的不足
•   7.4 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王炳臣

导师: 刘芳华

关键词: 渤海,入海河流,沉积物,铁还原菌,产甲烷菌

来源: 中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,环境科学与资源利用

单位: 中国科学院大学(中国科学院烟台海岸带研究所)

分类号: X172

总页数: 120

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