《南京土壤所揭示青藏高原不同生境下甲烷氧化微生物的群落分异》

  • 来源专题:中国科学院亮点监测
  • 编译者: yanyf@mail.las.ac.cn
  • 发布时间:2019-04-06
  • 自然湿地是大气甲烷重要的排放源,在自然湿地生态系统中,有高达90%的甲烷在还未释放到大气之前就被好氧甲烷氧化微生物所消耗。因此,甲烷氧化微生物对全球甲烷循环起重要作用。以往的研究主要集中在甲烷氧化微生物群落组成及甲烷原位气体通量观测等方面,然而,在甲烷氧化微生物群落构建过程及共存网络模式方面的研究尚无报道。

      中国科学院南京土壤研究所褚海燕课题组于青藏高原海北生态试验站采集了三种不同生境(高寒草甸、沼泽化草甸、湿地)的土壤样品,利用高通量测序研究了甲烷氧化微生物的群落组成、群落构建及共存网络模式。结果表明:甲烷氧化微生物在三种不同生境中显著分异;随机性过程主导甲烷氧化微生物的群落构建过程,其对群落构建的相对贡献随着土壤水分的增加而增加;三种不同生境下甲烷氧化微生物共存网络(Co-occurrence Network)结构存在显著差异,土壤水分较少的高寒草甸生境网络结构更加稳定,表明了干湿水分的筛选作用对甲烷氧化微生物共存关系的潜在影响;网络中关键物种分析发现,I型甲烷氧化菌(主要是Methylobacter、USCγ、RPC-1)在网络模块中起着连接作用,可能在种间合作关系中扮演重要角色。

      该研究首次探明了青藏高原不同生境下甲烷氧化微生物群落构建机制及共存网络模式,为认识自然湿地生态系统甲烷氧化的微生物学机制提供新的视角,对理解全球变化背景下湿地生态系统中甲烷氧化过程也有助益。

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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
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    • 锑(Sb)和砷(As)属于同一主族,具有潜在的致癌风险,但与其它有毒金属如Hg和As等相比,人们对Sb的环境污染过程还缺乏系统认识。Sb在环境中常以Sb(Ⅲ)和Sb(V)形式存在。水钠锰矿是自然界中一种常见矿物,具有较强的吸附和氧化能力;酚类有机酸是土壤有机质中具有较强的氧化还原活性的一类基团。他们在Sb的迁移和转化过程中扮演着重要角色。然而,人们对Sb与二者的反应分子机制仍不清楚。   为此,中国科学院南京土壤研究所研究员王玉军团队对Sb在水钠锰矿表面的吸附和氧化机制开展了深入探究。研究发现:水钠锰矿的边缘位点对Sb的氧化和吸附起着至关重要的作用,具有较多边缘位点的水钠锰矿对Sb具有更强的氧化和吸附能力。Sb(Ⅲ)在水钠锰矿的边缘位点被迅速氧化,但氧化过程会因产物的堵塞而被钝化。氧化反应后Sb(V)为水钠锰矿表面的主要Sb形态。Sb(V)主要吸附于水钠锰矿边缘位点,形成单齿单核络合结构。该研究揭示了Sb在水钠锰矿表面的氧化和吸附机制,可为环境中Sb污染风险评价及Sb污染场地修复方案的制定提供理论依据。相关研究结果发表于Chemical Engineering Journal (2018,342, 429-437)和Environmental pollution (2019, 246, 990-998)。   此外,该团队与华南理工大学教授石振清合作发展了一套机理性动力学模型用以预测Sb在水钠锰矿表面的氧化吸附动力学过程。模型结果显示,Sb(Ⅲ)的氧化速率随时间增加而迅速降低;水钠锰矿可迅速吸附Sb(Ⅲ),而吸附Sb(V)的速率则相对较慢。该模型较好刻画了Sb在水钠锰矿表面的吸附/解吸-氧化还原耦合动力学行为,有助于进一步发展综合性动力学模型预测Sb的环境行为。相关研究结果发表于Environmental Science: Processes & Impacts (2018,20, 1691-1696),论文入选该刊2018年度亮点文章。   土壤中有机质组分复杂,其中广泛存在的酚类基团使其具有较高的氧化还原活性。研究发现碱性条件下小分子酚酸能够产生半醌类自由基(SQ·ˉ),并在有氧条件下产生H2O2和·OH等活性氧基团,将Sb(Ⅲ)氧化为Sb(V) (Chemical Engineering Journal 2019,356, 190-198),进而影响Sb在针铁矿表面的吸附过程。随着体系碱性增强,Sb(Ⅲ)在针铁矿表面的吸附得到显著抑制,并在针铁矿表面形成双齿共边的内圈配位构型。该研究结果进一步揭示Sb在环境中氧化的分子机制,为预测其在高有机质含量土壤中转化迁移行为提供理论支撑 (Chemical Engineering Journal 2019, 369: 414-421)。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:mall
    • 发布时间:2017-08-03
    • 日本海洋科学与技术研究所(JAMSTEC)的AsahikoTaira发现,由地幔岩石蛇纹石化而产生的高碱性泉水中存在不同寻常的微生物群落基因组。 2011年和2012年,研究人员于加州北部的Cedars采集样本,此地的蛇纹岩化十分活跃,水与橄榄岩等超富地幔岩石发生反应,生成一套新的矿物,包括蛇纹石、超碱性流体、甲烷等,与此同时排出pH11或以上的高碱性液体。这种环境可能在地球早期很常见,因此,蛇纹石化环境被认为是早期微生物生存的条件。 根据对样本微生物的基因组分析,科学家在恶劣地质条件的泉水中发现了微生物的基因中有史以来最小的基因组。此外,尽管深水食源泉中的微生物群落主要由细菌主导,但宏基因组和基因组草图数据并没有包含细菌类型的ATPase基因;它们要么是有一种古细菌的ATPase,或者根本就没有可识别的ATP酶。这么一组古老而高度保守的酶是一种不同寻常的分布。这一现象不是由于pH的原因,因为在Cedars附近浅海海水区域存在一个嗜碱菌群落。 在Cedars的深水中,检测到的微生物在分类学上均被归为Candidate Phyla Radiation (CPR),这些微生物细胞和基因组尺寸都非常小,且缺乏独立生命所需的许多基因,因此其生存方式仍然未知。然而,根据科学家对基因组复制率的分析,这些细菌在蛇纹石化环境下的地下水中活跃地进行着基因组复制活动。这些细胞聚集在矿物颗粒状结构上,在蛇纹石或橄榄岩矿物中这些结构具有类似的元素成分。 以上发现表明,蛇纹石化可能为揭示深层地表环境中的基因、基因组、微生物和群落的进化以及地球早期生命奥秘提供了重要线索。 研究成果题为:“Unusual metabolic diversity of hyperalkaliphilic microbial communitiesassociated with subterranean serpentinization at The Cedars”,发表在7月21日的《International Societyfor Microbial Ecology》(ISME)期刊上。 (刘思青 编译)