夏季广东省东部沿海表层沉积物中总微生物群落及甲烷循环微生物群落的空间分布模式

《Marine Environmental Research》：Spatial patterns of total and methane-cycling microbial communities in surface sediments of the eastern Guangdong coast in summer

甲基烷代谢过程及其影响因素在广东东部海岸沉积物中的研究

　　

摘要

甲烷是第二大常见的温室气体，对气候变化起着至关重要的作用。先前的研究表明，沿海地区是甲烷循环的热点区域。由于甲烷的产生和氧化主要由微生物介导，因此研究甲烷循环微生物群落的特征有助于我们更深入地了解甲烷的代谢过程及其背后的机制。在这项研究中，我们采用了扩增子测序技术来分析夏季广东省东部沿海表层沉积物中总微生物群落、产甲烷微生物群落和甲烷氧化菌群落的空间分布模式，并识别出影响这些群落的重要环境因素。研究结果表明，总微生物群落和甲烷循环微生物群落在空间上存在异质性，其多样性和组成随着与海岸距离的变化而发生变化。在产甲烷微生物群落中，Methanosarcinaceae科尤其是甲基氧化菌属的*Methanococcoides*占主导地位，在距离海岸5-20公里的站点中相对丰度为27.57%，而在近岸和离岸站点中这一比例上升至69.13-72.62%。II型甲烷氧化菌属*Methylocystis*占沿海地区甲烷氧化菌群落的48.71%，而在近岸和离岸环境中，未分类的细菌占主导地位，相对丰度超过70%。与海岸的距离、有机物含量以及水动力过程对微生物群落具有重要影响。与海岸的距离反映了人类活动的强度，而水动力过程则导致了西部和东部近岸站点之间总微生物群落结构的不同。这些发现可以为沿海环境中微生物的甲烷代谢提供进一步的见解。

引言

甲烷是最重要的温室气体之一，其大气浓度为1908±2 ppb，是工业革命前的262倍，并且仍在持续增加。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的数据，甲烷在100年内的全球变暖潜力（GWP₁₀₀）是二氧化碳的28倍（Forster等人，2021年）。海洋向大气中排放的甲烷占自然排放总量的1-13%，估计每年约为6-12 Tg（Weber等人，2019年）。全球甲烷通量主要由浅水环境主导（Weber等人，2019年）。在营养丰富的浅水中，甲烷的氧化可以消耗掉一半的甲烷，从而显著减少排放量（Mao等人，2022年）。为了实现碳峰值和碳中和的目标，有必要了解海洋生态系统中的甲烷代谢过程及其背后的机制，尤其是在沿海地区。

产甲烷菌和甲烷氧化菌是两种主要参与甲烷产生和氧化的微生物，它们共同调节甲烷循环（Yu等人，2020年）。尽管产甲烷菌的丰度与甲烷通量或产量之间存在一定的相关性（He等人，2015年；Sierocinski等人，2018年），但产甲烷菌群落和甲烷氧化菌群落的多样性和组成与潜在的甲烷产量也存在关联（Wagner等人，2017年）。群落的丰富度和多样性与甲烷产量呈正相关（Sierocinski等人，2018年；Meyer等人，2020年）。此外，使用泛滥平原沉积物进行的体外甲烷消耗实验（Bodelier等人，2013年）以及使用不同多样性水平的纯甲烷氧化菌菌株构建的人工群落（Schnyder等人，2018年）共同表明，高多样性的甲烷氧化菌群落能够维持高效的甲烷氧化并减少甲烷排放。此外，微生物群落结构还受到水分含量、pH值和营养物质等多种理化性质的影响（Wagner等人，2017年；Zhang等人，2019年；Yu等人，2020年），这些因素进一步影响甲烷的产生和氧化过程。然而，尤其是在被视为甲烷循环重要生态区域的沉积物环境中，对相关微生物群落结构的研究仍然有限（Chen等人，2022年）。

在这项研究中，我们利用扩增子测序技术研究了总微生物群落、产甲烷微生物群落和甲烷氧化菌群落的空间分布模式，并结合理化性质识别出影响群落结构的重要环境因素。这些发现有助于我们更好地理解海洋中的甲烷代谢过程，特别是在浅水环境中。

研究区域和样本采集

广东省东部沿海地区位于中国南海北部汉江三角洲的前沿，凭借其丰富的渔业资源和航运通道，成为广东省东部的海上门户。夏季，在西南季风和地形的影响下，该地区的海洋环流主要包括向东北方向的广东沿岸流、珠江羽流以及风驱动的沿海上升流。

沉积物的理化性质

表层沉积物样本的水分含量范围为17.38%至44.99%，西部沿海站点和西部近岸站点的含量高于东部站点。体积密度从E101站点的0.63 g/mL增加到E109站点的1.58 g/mL，总体呈现从西部站点向东部站点递增的趋势；pH值范围为7.90（E101）至9.38（E209）。总有机碳（TOC）和总氮（TN）的分布模式较为一致。

讨论

本研究在夏季从广东省东部的22个站点采集了表层沉积物样本，通过扩增子测序和理化性质测量相结合的方法，分析了总微生物群落、产甲烷微生物群落和甲烷氧化菌群落的结构及其相关环境因素。本研究揭示了这些群落的空间分布模式，旨在提供更多关于海洋甲烷代谢的信息。

结论

本研究描述了夏季广东省东部沿海表层沉积物中总微生物群落、产甲烷微生物群落和甲烷氧化菌群落的空间分布模式，并探讨了关键环境因素对这些群落的影响。所有三种群落的多样性和组成都随着与海岸距离的变化而发生变化。在产甲烷微生物群落中，兼性产甲烷菌科Methanosarcinaceae占主导地位，其中甲基氧化菌属*Methanococcoides*的丰度最高。

作者贡献声明

姚建波：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，实验设计，数据分析。叶旺旺：撰写 – 审稿与编辑，实验设计。赵慧欣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，实验设计，数据分析。林根梅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，项目监督，资金申请，概念构思。叶银军：撰写 – 审稿与编辑，实验设计

未引用的参考文献

Ho等人，2015年；Oksanen等人，2022年。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

感谢编辑和两位审稿人的宝贵意见。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42476129）、自然资源部全球变化与海洋-大气化学重点实验室开放研究基金（项目编号GCMAC2304）以及南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）（项目编号311024005和SML2024SP029）的支持。样本采集工作是在“海健203”号调查船上进行的。