河口及潮间带湿地中亚硝酸盐/硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化菌的丰度与活性：异质性及驱动因素

摘要内容  

研究证实长江口不同盐度生境中同时存在两类n-DAMO微生物：类"Candidatus Methylomirabilis oxyfera"细菌（通过pmoA基因量化）和类"Candidatus Methanoperedens nitroreducens"古菌（通过mcrA基因量化）。细菌pmoA基因丰度（4.0×10?–7.6×10? copies g?1）高于古菌mcrA基因（4.5×10?–9.4×10? copies g?1）。n-DAMO微生物的甲烷氧化活性（硝态氮依赖型：0.4–32.6 nmol 13CO? g?1 day?1；亚硝态氮依赖型：0.2–84.3 nmol 13CO? g?1 day?1）在夏季和上游淡水/低盐度区域更高。环境因子分析表明，细菌丰度与沉积物pH和铵盐显著相关，而总n-DAMO活性受pH、总有机碳（TOC）、Fe(II)和Fe(III)含量驱动。此外，n-DAMO过程贡献了0.5–224.7 nmol N g?1 day?1的氮消除潜力，与厌氧氨氧化（anammox）相当。  

研究目的  

1. 评估n-DAMO过程在河口及潮间带湿地甲烷氧化中的重要性；  

2. 揭示n-DAMO微生物丰度与活性的时空分布规律；  

3. 解析控制n-DAMO过程的环境驱动因子。  

研究思路  

1. 空间梯度设计：沿长江口盐度梯度选取7个站点（图1），分为淡水区（XP、LHK）、低盐区（WSK、BLG、夏季DXG）和高盐区（YY、LC、冬季DXG）。  

2. 季节对比：于2019年1月（冬季）和7月（夏季）采集沉积物样品。  

3. 多方法结合：  

   ? 定量PCR（qPCR）检测n-DAMO微生物基因丰度（pmoA和mcrA）；  

   ? 13CH?稳定同位素标记实验测定n-DAMO活性；  

   ? 沉积物理化性质（pH、盐度、TOC、氮形态、铁形态等）分析。  

4. 统计关联：通过Pearson相关性和ANOVA分析环境因子与微生物参数的关联性。  

测量数据及来源  

1. 微生物丰度：  

   ? 细菌pmoA基因和古菌mcrA基因拷贝数（图2a），显示细菌丰度普遍高于古菌（图2d），且无显著季节差异（图2c）。  

2. n-DAMO活性：  

   ? 硝态氮依赖型（古菌）和亚硝态氮依赖型（细菌）甲烷氧化速率（图3a），显示夏季活性更高（图3b），且淡水/低盐区活性显著高于高盐区（图3c, e）。  

3. 环境参数：  

   ? 盐度、pH、温度、TOC、NH??、NO??、Fe(II)、Fe(III)等（表1）。  

4. 氮去除贡献：n-DAMO细菌的氮消除潜力（0.5–224.7 nmol N g?1 day?1），与anammox和反硝化对比。  

数据研究意义  

1. 微生物丰度（图2）：证实两类n-DAMO微生物在河口湿地广泛共存，细菌丰度占主导，为理解碳氮耦合的微生物基础提供依据。  

2. 活性空间分布（图3）：揭示n-DAMO活性沿盐度梯度递减，表明上游淡水区是甲烷氧化的热点区域，对湿地甲烷减排策略有指导意义。  

3. 环境驱动（表1）：  

   ? pH和TOC显著影响活性，表明沉积物酸碱度和有机质是调控n-DAMO过程的关键；  

   ? Fe(II)正相关、Fe(III)负相关，提示铁循环可能参与n-DAMO代谢途径。  

4. 氮去除潜力：量化n-DAMO对氮消除的贡献（占总量0.1–14.6%），凸显其在缓解河口氮污染中的作用。  

结论  

1. 分布规律：n-DAMO微生物丰度与活性从河口上游向下游递减（图2a, 图3a），夏季活性高于冬季（图3b）。  

2. 驱动机制：细菌丰度受pH和铵盐调控（表1）；总n-DAMO活性由pH、TOC和铁形态共同驱动（表1）。  

3. 生态功能：  

   ? 作为重要甲烷汇，减少温室气体排放；  

   ? 贡献显著氮消除潜力（与anammox相当），缓解人为氮污染。  

4. 耦合机制：沉积物-水界面的氧梯度促进氨氧化菌与n-DAMO细菌的互作，支持亚硝态氮供应（图4）。  

Unisense电极测量数据的研究意义  

研究中采用丹麦Unisense OX-N微电极检测沉积物预培养后的溶解氧，确保实验体系为严格厌氧条件。其核心意义在于：  

1. 排除好氧氧化干扰：验证缺氧环境，保证观测到的13CO?生成仅源于厌氧甲烷氧化（n-DAMO），避免好氧过程对数据的污染。  

2. 保障实验准确性：电极的高灵敏度（检测限≈0.1 μM）确保微量氧被有效监控，为同位素示踪结果的可靠性提供关键质控。  

3. 支持机制解析：证实n-DAMO在自然沉积物厌氧微环境中的活性，深化了对河口湿地碳氮耦合过程的认知