Multiple Groups of Methanotrophic Bacteria Mediate Methane Oxidation in Anoxic Lake Sediments  

多組甲烷氧化細(xì)菌介導(dǎo)缺氧湖泊沉積物中的甲烷氧化  

來源：Frontiers in Microbiology, Volume 13, 2022, Article 864630  

《微生物學(xué)前沿》第13卷，2022年發(fā)表，文章編號(hào)864630  

 

摘要內(nèi)容

本研究通過放射性同位素標(biāo)記（1?CH?和13CH?）和分子生物學(xué)技術(shù)，揭示瑞士Sempach湖缺氧沉積物中的甲烷氧化（AOM）由傳統(tǒng)好氧甲烷氧化細(xì)菌（MOB）主導(dǎo)，而非典型厭氧甲烷氧化菌（ANME）。盡管檢測(cè)到高AOM速率（表層沉積物達(dá)68.0 nmol cm?3 d?1），但硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、鐵/錳氧化物等電子受體均未刺激AOM（圖2-3）。添加氧氣后甲烷氧化速率提升10倍（圖3G），脂質(zhì)生物標(biāo)志物（如C16:1ω7、C16:1ω5）和16S rRNA測(cè)序證實(shí)γ-變形菌綱（Methylobacter、Crenothrix）和α-變形菌綱（Methylocystis）在缺氧條件下仍能同化甲烷，但同化速率比有氧條件低一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖4）。  

 

 

 

研究目的  

 

探究缺氧湖泊沉積物中甲烷氧化的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制及電子受體需求，解析傳統(tǒng)好氧甲烷氧化細(xì)菌在缺氧環(huán)境中的代謝適應(yīng)性。  

 

研究思路  

 

原位觀測(cè)：測(cè)定Sempach湖沉積物孔隙水地球化學(xué)剖面（甲烷、硫酸鹽、鐵/錳形態(tài)等，圖1A-E），結(jié)合1?CH?標(biāo)記量化AOM速率垂向分布（圖1B）。  

 

 

電子受體驗(yàn)證：通過底物添加實(shí)驗(yàn)（硫酸鹽、硝酸鹽/亞硝酸鹽、鐵/錳氧化物），評(píng)估其對(duì)AOM的刺激作用（圖2-3）。  

 

微生物機(jī)制：利用13CH?標(biāo)記的脂質(zhì)穩(wěn)定同位素探測(cè)（圖4）和16S rRNA測(cè)序（圖5），鑒定活躍甲烷氧化菌及其碳同化能力。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)、來源及意義  

 

3.1 地球化學(xué)剖面（圖1A-F）  

來源：圖1A（甲烷濃度）、圖1C（硫酸鹽/硝酸鹽）、圖1D-E（鐵/錳形態(tài)）、圖1F（氧氣滲透深度）  

 

意義：揭示甲烷氧化熱點(diǎn)位于沉積物表層（0-2 cm），與氧氣耗盡區(qū)（<3 mm）重疊；鐵/錳氧化物和硝酸鹽在表層富集，但未驅(qū)動(dòng)AOM速率提升。  

 

3.2 AOM速率響應(yīng)（圖2-3）  

來源：圖2A（1?CH?實(shí)驗(yàn)中電子受體添加效果）、圖3（13CH?實(shí)驗(yàn)中NO?/O?添加對(duì)13CO?產(chǎn)量的影響）  

 

意義：證實(shí)硫酸鹽（圖2A）、硝酸鹽/亞硝酸鹽（圖3C-F）及金屬氧化物（圖2A）均未顯著促進(jìn)AOM；氧氣添加使13CO?產(chǎn)量激增10倍（圖3G），凸顯好氧途徑的高效性。  

 

3.3 微生物群落與碳同化（圖4-5）  

來源：圖4（脂質(zhì)生物標(biāo)志物δ13C值）、圖5（16S rRNA測(cè)序顯示的菌群組成）  

 

意義：脂質(zhì)標(biāo)記（C16:1ω7等）證明γ-MOB和α-MOB在缺氧條件下同化甲烷（δ13C > 500‰，圖4A-H）；16S測(cè)序顯示Crenothrix（34.1%）和Methylobacter（27.6%）為優(yōu)勢(shì)甲烷氧化菌（圖5C），且在氧氣添加后豐度變化顯著。  

 

結(jié)論  

 

4.1 Sempach湖沉積物AOM由傳統(tǒng)好氧MOB（Crenothrix、Methylobacter、Methylocystis）主導(dǎo)，而非ANME或NC10菌，電子受體非限制因素。  

4.2 缺氧條件下MOB通過未知機(jī)制維持甲烷氧化（可能依賴有機(jī)物氧化），但碳同化速率（<0.1 μmol g?1 d?1）遠(yuǎn)低于有氧條件（>1 μmol g?1 d?1）。  

4.3 MOB的代謝靈活性（好氧/缺氧切換）對(duì)湖泊甲烷排放抑制具有生態(tài)意義。  

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義  

使用丹麥Unisense微電極（Clark型氧傳感器）測(cè)量的氧氣滲透深度數(shù)據(jù)（圖1F）是解析甲烷氧化微環(huán)境的關(guān)鍵：  

高分辨率邊界界定：微米級(jí)分辨率（未注明具體精度，但典型Clark電極達(dá)10 μm）精準(zhǔn)定位氧氣耗盡深度（3 mm），揭示AOM活躍區(qū)緊鄰缺氧-有氧過渡帶，排除"隱性好氧"機(jī)制。  

 

過程關(guān)聯(lián)性：結(jié)合AOM速率峰值分布（圖1B），證實(shí)盡管氧氣在3 mm處耗盡，MOB仍能在缺氧區(qū)氧化甲烷，支持其厭氧代謝能力。  

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)：氧氣耗竭數(shù)據(jù)為缺氧孵育實(shí)驗(yàn)（圖2-3）提供理論依據(jù)，確保添加電子受體時(shí)系統(tǒng)嚴(yán)格缺氧。