Picarro G2508（地下河口微生物群落對(duì)甲烷和氮轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)作用）

地下河口(STEs)是重要的生物地球化學(xué)反應(yīng)器，接收和處理來(lái)自陸地、海洋和地下水等各種來(lái)源的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有機(jī)物。STE在調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物、有機(jī)物和其他重要生物化合物的陸海通量方面發(fā)揮著重要作用。地下生態(tài)系統(tǒng)為微生物群落提供了多種多樣的棲息地，地球上大約40%的原核生物生物量隱藏在地表以下。沿海生態(tài)系統(tǒng)中的原核生物群落可能是復(fù)雜的，主要由不可培養(yǎng)的譜系組成，使得基于實(shí)驗(yàn)室的研究具有挑戰(zhàn)性。

為了更好地了解陸地地下水涌入以及海洋鹽水入侵對(duì)地下氮循環(huán)微生物群落的影響，需要微生物生態(tài)學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)相結(jié)合的方法。氫氣(H₂)、醋酸鹽、二氧化碳(CO₂)和其他碳化合物(如一氧化碳、甲酸鹽、甲醇、甲胺)可以被產(chǎn)甲烷的古細(xì)菌轉(zhuǎn)化為CH₄。在這一過(guò)程中，DOC通過(guò)水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)丙酮被分解，以促進(jìn)產(chǎn)甲烷。產(chǎn)甲烷古菌群落因此可以棲息在獨(dú)特的生態(tài)位，由于高度適應(yīng)熱力學(xué)能量守恒。在多種環(huán)境中，變形細(xì)菌的甲烷氧化菌可以代謝多余的甲烷作為其唯一的能量來(lái)源。厭氧甲烷營(yíng)養(yǎng)古生菌與產(chǎn)甲烷古生菌關(guān)系密切，可在海岸帶深層富甲烷缺氧沉積物中代謝CH₄。因此，CH₄的地下氧化可以成為沿海環(huán)境中強(qiáng)效溫室氣體的重要匯。

16S rRNA是一種細(xì)菌和古細(xì)菌特有的核糖體RNA，通常用于研究微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。通過(guò)對(duì)16S rRNA基因序列進(jìn)行擴(kuò)增和測(cè)序，可以了解不同微生物的遺傳差異，從而對(duì)微生物進(jìn)行分類和鑒定。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境微生物學(xué)和生態(tài)學(xué)研究中，有助于揭示微生物在不同生態(tài)系統(tǒng)中的功能和相互作用。

研究地點(diǎn)位于澳大利亞昆士蘭州大堡礁集水區(qū)的海灘邊STE。該樣帶從高潮線以下的海洋端(距退潮標(biāo)記26米)到沙丘底部的陸地端跨度15米。根據(jù)鹽度剖面對(duì)比，選擇了五個(gè)地點(diǎn)。

位于澳大利亞阿格尼斯水域的地下河口樣帶研究地點(diǎn)的地圖。

本研究使用的所有樣品均在8月12日的一個(gè)潮汐周期內(nèi)提取。首先將地表砂石移除至地下水位以上約50 cm處，然后將不銹鋼孔隙水取樣頭(Sonlist)與氣密油管(Bev-A-line IV)連接，分別置于地下水位以下10、100和200 cm處的沉積物中?？紫端娱_(kāi)始于退潮時(shí)的海洋區(qū)，沿樣帶向上移動(dòng)至淡水區(qū)。使用150 ml注射器從每個(gè)位置和深度抽取15個(gè)樣本?？紫端瓺OC樣品用0.7 μm玻璃超細(xì)纖維過(guò)濾器過(guò)濾，保存在40 ml硼硅酸鹽小瓶中?？紫端軣o(wú)機(jī)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)樣品用0.45 μm醋酸纖維素過(guò)濾器過(guò)濾后冷凍待實(shí)驗(yàn)室分析。

Picarro儀器的使用：Picarro+A0314相結(jié)合，注射器從采樣瓶平衡后的頂空中提取 4 ml氣體。注入的 4 ml氣體樣品與零空氣在 SSIM 內(nèi)以 4:1 的比例混合，以達(dá)到 20 ml的總氣體體積。每個(gè)樣品在 CRDS 上運(yùn)行約 6 分鐘，以確保低濃度樣品具有更高的精度。每五個(gè)樣品使用相同的進(jìn)樣量運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)氣體。

孔隙水CH₄濃度范圍為0.07±0.01 μM~0.41±0.02 μM，在樣帶的海洋端呈下降趨勢(shì)。Site 5地下水位2 m處(0.41±0.02 μM)的3個(gè)樣品中CH₄濃度最高。Site 5孔隙水CO₂濃度也最高，在地下水位以下10 cm處為254.24±12.73 μM，在地下水位以下200 cm處為273.31±6.05 μM。CO₂濃度在潮間帶下部(site 1)最低，為81.43±3.22 μM。

(A)甲烷(CH₄)孔隙水濃度;(B)二氧化碳(CO₂);(C)溶解有機(jī)碳(DOC);(D)銨(NH₄⁺)和(E)硝(NO₃^-)。研究地點(diǎn)和地下水位以下的深度標(biāo)注在左側(cè)。CH₄和CO₂誤差為±SD。DOC、NH₄⁺和NO₃^-誤差條表示分析誤差。

含保守混合線的鹽度相關(guān)圖顯示孔隙水:(A) CH₄和(B)銨(NH₄ ⁺)濃度。 

根據(jù)圖（上圖）顯示的鹽度相關(guān)圖，可以看到甲烷（CH₄）濃度與鹽度之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著鹽度的增加，甲烷濃度呈非線性下降趨勢(shì)。在地下河口混合帶，甲烷濃度迅速下降。這表明鹽度是影響甲烷濃度空間分布的重要因素，地下河口中不同鹽度區(qū)域的微生物群落對(duì)甲烷的產(chǎn)生和消耗具有顯著影響。這與研究結(jié)論中提到的地下河口中隱藏的微生物群落分區(qū)以及微生物轉(zhuǎn)化對(duì)減輕營(yíng)養(yǎng)物和溫室氣體通量到沿海生態(tài)系統(tǒng)的重要性密切相關(guān)。

在這項(xiàng)研究中，應(yīng)用16S rRNA擴(kuò)增子測(cè)序和配對(duì)的生物地球化學(xué)特征來(lái)空間評(píng)估STE中轉(zhuǎn)化溫室氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的微生物群落。結(jié)果表明，產(chǎn)甲烷菌在陸地端最為普遍(相對(duì)豐度高達(dá)2.81%)，孔隙水甲烷、二氧化碳和溶解有機(jī)碳濃度分別為0.41±0.02 μM、273.31±6.05 μM和0.51±0.02 mM。較低的銨態(tài)氮濃度對(duì)應(yīng)著混合帶豐富的硝化和氨氧化原核生物(相對(duì)豐度高達(dá)11.65%)。甲烷、銨和溶解有機(jī)碳濃度從陸地到15 m樣帶的海洋端均下降了50%。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了STE隱藏的微生物群落分區(qū)，以及考慮微生物轉(zhuǎn)化減輕營(yíng)養(yǎng)和溫室氣體通量到沿海生態(tài)系統(tǒng)的重要性。