Effects of periodic drying-wetting on microbial dynamics and activity of nitrite/nitrate-dependent anaerobic methane oxidizers in intertidal wetland sediments  

周期性干濕交替對潮間帶濕地沉積物中亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化菌微生物動態及活性的影響  

來源：Water Research, Volume 229, 2023, Article 119436  

《水研究》第229卷，2023年，文章編號119436  

 

摘要內容

 

研究通過模擬潮汐周期（水淹、干燥、再淹）實驗，探究長江口潮間帶沉積物中n-DAMO（亞硝酸鹽/硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化）微生物群落、豐度及活性的響應機制。主要發現：  

微生物多樣性：再淹條件（Reflooded）下n-DAMO細菌（Methylomirabilis）和古菌（Methanoperedens）多樣性顯著高于連續水淹或干燥。  

 

豐度與活性：水淹條件下n-DAMO微生物豐度（pmoA/mcrA基因）和活性（13CO?生成速率）顯著高于干燥條件（圖2, 3）。再淹可恢復n-DAMO活性，表明微生物代謝具有韌性。  

 

 

調控機制：  

 

水淹期：n-DAMO活性與微生物豐度及底物（NO??/NO??）有效性正相關（圖4a）。  

 

 

干燥期：沉積物鹽分積累是抑制活性的主因（圖4b）。  

環境意義：n-DAMO過程可消耗長江口潮間帶17.1–18.1%（水淹）和5.7–6.6%（干燥）的甲烷通量，對緩解溫室效應具有重要作用。  

 

研究目的

揭示周期性干濕交替對n-DAMO微生物群落結構、豐度及活性的影響。  

 

解析干濕交替下n-DAMO過程的調控因子及機制。  

 

量化n-DAMO對潮間帶濕地甲烷減排和氮去除的貢獻。  

 

研究思路

樣品與實驗設計：  

 

采集長江口崇明東灘潮間帶沉積物巖芯（0–10 cm），設置四組處理：  

 

未處理（UC）、連續水淹（WC）、干燥（DC）、再淹（RC）（圖1b）。  

 

 

模擬半農歷潮周期：水淹5/10/15天，干燥10/20/30天，再淹含兩個干濕循環（10天干燥+5天水淹）。  

關鍵參數測量：  

 

環境因子：鹽度、pH、水分、CH?通量、NH??/NO??/NO??、Fe(II)/Fe(III)、硫化物等。  

 

微生物分析：  

 

基因測序：靶向n-DAMO細菌pmoA和古菌mcrA基因。  

 

qPCR定量：pmoA/mcrA基因豐度（圖2）。  

 

n-DAMO活性：13CH?標記法測定硝酸鹽-DAMO和亞硝酸鹽-DAMO速率（圖3）。  

統計與模型：  

 

主成分分析（PCA）評估環境因子差異。  

 

結構方程模型（SEM）解析驅動機制（圖4）。  

 

測量數據及研究意義

環境因子數據  

 

數據：干燥組（DC）鹽度最高（平均2.36‰），水淹組（WC）Fe(II)（14.86–23.63 mmol kg?1）和硫化物（0.11–2.23 μmol g?1）顯著高于干燥組。  

 

意義：證實干燥導致鹽分積累，水淹促進還原環境形成，為n-DAMO活性差異提供環境背景。  

微生物豐度（圖2）  

 

數據：  

 

pmoA基因豐度：水淹組（WC）最高（6.7×10?–3.8×10? copies g?1），干燥組（DC）最低（5.9×10?–1.9×10? copies g?1）。  

 

mcrA基因豐度：水淹組（4.4×10?–2.6×10? copies g?1）顯著高于干燥組（3.9×10?–1.0×10? copies g?1）。  

 

意義：水淹條件促進n-DAMO微生物生長，干燥抑制其生存。  

n-DAMO活性（圖3）  

 

數據：  

 

亞硝酸鹽-DAMO速率：水淹組6.8–11.8 nmol 13CO? g?1 d?1，干燥組降至1.5–3.2 nmol 13CO? g?1 d?1。  

 

再淹后活性恢復（RC2期較RC1增加30–50%）。  

 

意義：潮汐淹沒是n-DAMO活性的關鍵驅動力，再淹證明微生物代謝具有韌性。  

驅動機制（圖4）  

 

數據：  

 

SEM模型顯示：水淹期NO??直接促進硝酸鹽-DAMO活性（路徑系數0.68），干燥期鹽度通過降低mcrA豐度間接抑制活性（路徑系數-0.54*）。  

 

意義：明確干濕交替下n-DAMO活性的差異化調控機制，為濕地管理提供理論依據。  

 

結論

干濕交替的影響：  

 

水淹條件顯著提升n-DAMO微生物豐度及活性，干燥抑制活性（鹽分積累為主因）。  

 

再淹后活性恢復，表明n-DAMO微生物對干濕交替具有代謝韌性。  

微生物響應：  

 

n-DAMO細菌（Methylomirabilis）對干濕變化更敏感，古菌（Methanoperedens）適應性較強。  

 

再淹條件提高微生物多樣性。  

環境貢獻：  

 

n-DAMO消耗長江口潮間帶17.1–18.1%（水淹）和5.7–6.6%（干燥）的甲烷排放，同時貢獻5.6%的氮去除。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中采用Unisense OX-N微氧針式傳感器（方法2.4節）測量沉積物預培養瓶內溶解氧（DO）：  

嚴格厭氧條件驗證：  

 

數據：預培養后瓶內DO濃度≤0.3 μM（檢測限附近）。  

 

意義：確保13CH?標記實驗在嚴格厭氧環境下進行，避免氧氣干擾n-DAMO過程（因n-DAMO為厭氧過程）。  

方法學可靠性保障：  

 

數據：通過四組額外樣品實時監測DO，確認預培養有效去除殘留氧氣。  

 

意義：Unisense微電極的高靈敏度（μM級）和微創特性（針式探頭）保障了同位素示蹤結果的準確性，避免因氧污染導致13CO?生成速率低估。  

 

核心價值：Unisense電極提供了原位、實時的溶解氧監測，解決了傳統方法（如化學試劑）無法連續追蹤微量氧變化的難題，為厭氧生物地球化學過程研究提供了關鍵技術支撐。