Biotic interactions between benthic infauna and aerobic methanotrophs mediate methane fluxes from coastal sediments  

底棲動(dòng)物與好氧甲烷氧化菌之間的生物相互作用介導(dǎo)海岸沉積物的甲烷通量  

來(lái)源：The ISME Journal, Volume 18, Issue 1, 2024, wrae013

《國(guó)際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)刊》，第18卷第1期，2024年，文章編號(hào)wrae013

 

摘要內(nèi)容：  

論文發(fā)現(xiàn)海岸沉積物中大型動(dòng)物（>1 mm）通過(guò)生物擾動(dòng)增加甲烷（CH?）沉積物-水界面通量，而小型動(dòng)物（0.04-1 mm）部分抵消此效應(yīng)。高甲烷通量降低了孔隙水中CH?的濃度，導(dǎo)致好氧甲烷氧化菌（甲烷氧化細(xì)菌）豐度和活性下降，從而削弱其對(duì)甲烷的氧化能力。該研究揭示了底棲動(dòng)物活動(dòng)通過(guò)調(diào)控甲烷氧化菌直接影響海岸甲烷排放的新機(jī)制。

 

研究目的：  

闡明底棲大型動(dòng)物和小型動(dòng)物如何通過(guò)生物擾動(dòng)和生態(tài)互作影響海岸沉積物的甲烷通量、甲烷氧化速率及甲烷氧化菌的豐度與活性。

 

研究思路：  

采集波羅的海沉積物柱狀樣，人工調(diào)控小型動(dòng)物豐度（低/高）和大型動(dòng)物存在與否（雙殼貝類(lèi)Macoma balthica），設(shè)置五組處理：低小型動(dòng)物（LM）、高小型動(dòng)物（HM）、低小型動(dòng)物+大型動(dòng)物（LMM）、高小型動(dòng)物+大型動(dòng)物（HMM）、未處理對(duì)照組（CTRL）。  

 

測(cè)量各組沉積物孔隙水CH?濃度、CH?氧化速率、沉積物-水CH?通量及溶解無(wú)機(jī)碳（DIC）通量。  

 

使用丹麥Unisense微電極測(cè)量沉積物氧氣滲透深度和耗氧速率。  

 

通過(guò)總RNA測(cè)序分析甲烷氧化菌相對(duì)豐度及甲烷氧化功能基因（pmoABC）轉(zhuǎn)錄活性。  

 

結(jié)合結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）解析動(dòng)物、環(huán)境因子與甲烷氧化的因果關(guān)系。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（注明來(lái)源圖表）：  

動(dòng)物豐度與生物量（圖1）：大型動(dòng)物顯著增加LMM和HMM組的生物量，小型動(dòng)物豐度在HM/HMM組提高4倍。意義：驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有效性，確認(rèn)動(dòng)物豐度梯度符合預(yù)期。  

 

甲烷相關(guān)參數(shù)（圖2）：LM組孔隙水CH?濃度（8.8 μM）顯著高于其他組，CH?氧化速率（10.8 nmol cm?3 d?1）最高。意義：低動(dòng)物豐度促進(jìn)CH?積累，增強(qiáng)甲烷氧化菌活性。  

 

甲烷通量與氧氣動(dòng)態(tài)（圖3）：LMM組CH?通量最高（161.8 μmol m?2 d?1），LM組氧氣滲透深度最低（3.1 mm）。意義：大型動(dòng)物通過(guò)生物擾動(dòng)加速CH?釋放，同時(shí)改善沉積物氧化狀態(tài)。  

 

甲烷氧化菌群落（圖4）：動(dòng)物處理降低特定甲烷氧化菌屬（如pLW-20、Methylomicrobium）豐度。意義：動(dòng)物活動(dòng)通過(guò)改變CH?可用性調(diào)控甲烷氧化菌分類(lèi)組成。  

 

結(jié)構(gòu)方程模型（圖5）：大型動(dòng)物直接促進(jìn)CH?通量（標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)0.47），間接通過(guò)降低孔隙水CH?抑制甲烷氧化菌豐度。意義：量化動(dòng)物-微生物互作對(duì)甲烷排放的級(jí)聯(lián)效應(yīng)。

 

結(jié)論：  

大型動(dòng)物通過(guò)生物擾動(dòng)（如雙殼貝類(lèi)活動(dòng)）顯著提升沉積物甲烷通量（2-6倍），降低孔隙水CH?濃度，抑制甲烷氧化菌豐度與活性。  

 

小型動(dòng)物部分抵消大型動(dòng)物對(duì)甲烷通量的促進(jìn)作用，但其高豐度仍導(dǎo)致甲烷氧化菌豐度下降。  

 

底棲動(dòng)物活動(dòng)是海岸甲烷排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，其通過(guò)改變沉積物物理結(jié)構(gòu)和CH?分布，間接調(diào)控甲烷氧化菌的生態(tài)功能。

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

使用Unisense OX-50微電極測(cè)量沉積物氧氣滲透深度（圖3B）發(fā)現(xiàn)：  

量化生物擾動(dòng)效應(yīng)：大型動(dòng)物處理組（LMM/HMM）氧氣滲透深度達(dá)7.1–7.7 mm，顯著高于無(wú)動(dòng)物組（LM僅3.1 mm），直接證實(shí)動(dòng)物活動(dòng)（如貝類(lèi)灌溉）增強(qiáng)沉積物氧化層厚度，為甲烷遷移提供通道。  

 

揭示氧氣-甲烷競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系：高氧氣滲透深度（如HMM組7.7 mm）與低孔隙水CH?濃度（圖2A）及甲烷氧化菌活性下降（圖2E）同步出現(xiàn)，說(shuō)明生物擾動(dòng)雖增加氧氣供給，但因CH?快速釋放導(dǎo)致甲烷氧化菌缺乏底物，抵消了氧氣對(duì)甲烷氧化菌的潛在促進(jìn)作用。  

 

驗(yàn)證生態(tài)機(jī)制：電極數(shù)據(jù)為結(jié)構(gòu)方程模型（圖5）提供關(guān)鍵證據(jù)——大型動(dòng)物通過(guò)提高氧氣通量（標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)-0.60）間接影響甲烷氧化菌，但最終甲烷通量主要由動(dòng)物直接驅(qū)動(dòng)的物理傳輸（生物擾動(dòng)）主導(dǎo)。  

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：微電極的高空間分辨率（毫米級(jí)剖面）和原位測(cè)量能力，首次在動(dòng)物-微生物互作研究中實(shí)現(xiàn)沉積物氧化還原微環(huán)境的精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為理解生物擾動(dòng)對(duì)甲烷循環(huán)的調(diào)控提供不可替代的實(shí)證。