焦 露, 蘇 新*, 黃 霞, 劉浩東, 何 浩, 蔣宏忱, 王永莉

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院, 北京 100083; 3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 北京 100037; 4)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢 430000; 5)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所氣體地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅蘭州 730000

祁連山凍土區(qū)水合物DK3和DK6鉆孔中微生物脂肪酸特征及意義

焦 露1, 2), 蘇 新1, 2)*, 黃 霞3), 劉浩東1, 2), 何 浩2), 蔣宏忱4), 王永莉5)

1)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院, 北京 100083; 3)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 北京 100037; 4)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢 430000; 5)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所氣體地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅蘭州 730000

利用脂肪酸法分析祁連山凍土帶水合物區(qū) DK3(含水合物)與 DK6(不含水合物)鉆孔巖心中微生物多樣性。本研究獲得C12到C24二十六種脂肪酸(FA), 可以分成直鏈飽和脂肪酸(SSFA), 支鏈飽和脂肪酸(BSFA), 單鍵不飽和脂肪酸(MUFA), 環(huán)丙烷脂肪酸(CFA)和多鍵不飽和脂肪酸(PUFA)五大類(lèi)型, 其中SSFA相對(duì)含量最高。由于特異性的脂肪酸指示特異性的微生物類(lèi)群, 得出兩根巖心中微生物類(lèi)群主要由革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌和真菌組成。運(yùn)用PAST(Palaeontological statistics, version 1.21)軟件對(duì)已獲得的脂肪酸進(jìn)行主成分分析和聚類(lèi)分析, 得出DK3與DK6巖心的微生物組成并無(wú)顯著性差異, 但是DK3巖心中含水合物層位與不含水合物層位微生物組成有差異, DK6巖心中有水合物異常的層位與無(wú)異常的層位有差異。發(fā)現(xiàn)C16:1和C18:1這兩類(lèi)脂肪酸與甲烷異常有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 從另一方面證明了水合物異常影響微生物組成分布。本次研究首次獲得凍土沉積物中FA組成特征, 豐富了FA的分布范圍, 研究結(jié)果擴(kuò)大了真菌的分布深度, 具體機(jī)理有待更多的實(shí)驗(yàn)證明。

脂肪酸; 微生物多樣性; 天然氣水合物; 祁連山凍土帶

天然氣水合物通常賦存在海洋陸坡、深海、深湖以及永久冰土帶(Kvenvolden et al., 1980)。祁連山凍土區(qū)地處青藏高原北緣, 凍土面積約104km2, 連續(xù)凍土區(qū)內(nèi)的年平均地溫為-1.5 ～ -2.4℃, 凍土層厚度為50～139 m(曹代勇等, 2009)。根據(jù)對(duì)祁連山凍土區(qū)內(nèi)木里煤田33號(hào)鉆孔的氣體組分、年平均地表地溫、凍土層厚度、地溫梯度等資料綜合分析, 得出該區(qū)域基本具備形成天然氣水合物的溫壓條件(祝有海等, 2006)。2008年底至2009年初, 我國(guó)在木里煤田聚乎更礦區(qū)鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品,使我國(guó)成為世界上第一個(gè)在中低緯度高山凍土區(qū)發(fā)現(xiàn)天然氣水合物實(shí)物的國(guó)家(祝有海等, 2009)。

已有的研究表明海底沉積物中天然氣水合物礦藏的形成和保存與深部生物圈微生物活動(dòng)密切相關(guān)(Battistuzzi et al., 2004; Boetius et al., 2004; Kotelnikova, 2002; 蘇新等, 2010)。然而到目前為止,我國(guó)對(duì)凍土帶水合物區(qū)的微生物研究?jī)H有零星報(bào)道(韓路等, 2011), 尚在起步階段, 國(guó)際上相關(guān)研究也很薄弱。常用來(lái)研究微生物多樣性的方法大體上可分為兩類(lèi): 基于現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的方法和基于生物化學(xué)的方法(Kirk et al., 2004), 前者包括基于分子雜交技術(shù)的分子標(biāo)記法和基于 DNA序列測(cè)定的研究方法; 后者包括傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法、熒光染色法、Biolog微平板分析和生物標(biāo)志化合物方法等(周桔等, 2007)。利用這些研究方法可以獲得土壤或沉積物樣品中微生物的數(shù)量, 微生物種群組成特征以及特征性微生物類(lèi)群等信息(Elvert et al., 2005; Orcutt et al., 2005; Orphan et al., 2001)。

生物標(biāo)志化合物的研究已涵蓋了主要四種生物化學(xué)組分: 蛋白質(zhì)(包括核酸)、碳水化合物(包括幾丁質(zhì))、類(lèi)脂物和木質(zhì)素(謝樹(shù)成等, 2003), 本次研究的重點(diǎn)是微生物中的脂肪酸(FA)。脂肪酸分析方法原理如下: FA是微生物細(xì)胞膜的主要成分, 正常的生理?xiàng)l件下微生物 FA含量恒定, 不同的微生物能夠通過(guò)不同生化途徑形成不同的FA, 部分FA總是特異性出現(xiàn)在某一類(lèi)群微生物中, 因此可根據(jù)不同微生物類(lèi)群特定的FA組成來(lái)揭示環(huán)境中微生物的類(lèi)群。在冷泉區(qū)或水合物賦存區(qū), 甲烷氧化菌參與了一個(gè)很重要的反應(yīng)——甲烷厭氧氧化反應(yīng)(Anaerobic Oxidation of Methane, AOM)(Hinrichs et al., 2002), 目前根據(jù) FA圖譜的不同特征已經(jīng)可以將甲烷氧化細(xì)菌區(qū)分為兩大類(lèi): 類(lèi)型 I和類(lèi)型 II, I型甲烷氧化細(xì)菌主要包含一系列 C16:1的酸(Bédard et al., 1989; Bodelier et al., 2009), II型甲烷氧化細(xì)菌則以C18:1酸為主(Bodelier et al., 2009),甲烷氧化菌的含量可以一定程度上反映該層位是否有甲烷異常。

現(xiàn)有的報(bào)道絕大多數(shù)是研究現(xiàn)代土壤以及沉積物中 FA組成分布特征, 如利用磷脂脂肪酸分析方法研究湖泊沉積物中微生物多樣性(趙大勇等, 2009); 分析水稻根際土壤中微生物多樣性(劉波等, 2010); 以及分析白洋淀沉積物微生物特征(董黎明, 2011)等。目前無(wú)人對(duì)水合物區(qū)的FA進(jìn)行研究, 我國(guó)凍土帶的FA研究也處于空白階段。本研究選取祁連山水合物區(qū)兩個(gè)鉆孔 DK3(含有水合物)與DK6(不含水合物), 對(duì)不同深度的樣品特別是含水合物或者有與水合物相關(guān)異常的深度樣品中微生物的 FA進(jìn)行提取和分析, 旨在獲得該區(qū)域的微生物的 FA組成, 初步探討含水合物與不含水合物鉆孔中的微生物組成異同, 從而了解研究區(qū)微生物 FA特征并探討其與甲烷和水合物對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 樣品與資料

樣品來(lái)源于青藏高原祁連山凍土帶天然氣水合物區(qū)鉆孔(圖 1), DK3鉆孔(東經(jīng) 99°10.16′, 北緯38°05.34′)鉆于 2009年, 進(jìn)尺 765.01 m(祝有海等, 2010), 在 133.0—156.0 m, 225.1—240.0 m 和367.7—396.0 m三個(gè)層段采到天然氣水合物實(shí)物樣(盧振權(quán)等, 2010)。DK6鉆孔(東經(jīng) 99°11.7′, 北緯38°04.8′)鉆于2010年, 井深356.15 m, 該鉆孔僅局部層位可見(jiàn)裂隙中冒氣泡、紅外低溫、井口涌氣及偶見(jiàn)重?zé)N跡象等異常(龐守吉, 2012), 未采到水合物實(shí)物樣(武淑嬌, 2012)。

兩個(gè)鉆孔最頂部均為第四系冰磧沉積或坡積物, 其下伏地層主體為中侏羅統(tǒng)江倉(cāng)組和木里組。由于構(gòu)造作用結(jié)果, 研究區(qū)中部為三疊系組成的一個(gè)復(fù)式背斜, 南、北兩側(cè)為侏羅系含煤地層組成的兩個(gè)向斜。鉆孔區(qū)位于南向斜, 并受到復(fù)雜斷層作用, 多數(shù)鉆井頂部有下伏地層的重復(fù)出露, 如 DK3孔頂部有江倉(cāng)組和木里組部分層段出現(xiàn), 而DK6孔有上三疊統(tǒng)部分地層出露(龐守吉, 2012)。

兩個(gè)鉆孔均處于沼澤區(qū), 淺表層(＜50 cm)土壤樣品會(huì)受到部分上覆草根影響, 但是本研究選取樣品均較深(最淺樣品深度為 2 m), 一定程度上可以忽略草根對(duì)此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。根據(jù)野外測(cè)井資料(郭星旺, 2011), DK3孔的簡(jiǎn)易測(cè)溫結(jié)果顯示, 鉆探區(qū)內(nèi)的凍土層厚度約95 m, 研究區(qū)凍土最大季節(jié)融化深度達(dá) 4.5 m, 季節(jié)融化層地面年平均地溫-1.2～3.6℃(龐守吉, 2012)。

1.2 鉆孔巖心氣體樣中烴類(lèi)氣體組分測(cè)試

由于缺少DK3鉆孔巖心氣體數(shù)據(jù), 而DK2與DK3兩個(gè)鉆孔地理位置接近(龐守吉, 2012), 并且打鉆深度與產(chǎn)出水合物層位深度接近(祝有海等, 2010), 因此將已發(fā)表的DK2巖心中烴類(lèi)數(shù)據(jù)(黃霞等, 2011), 作為本研究DK3巖心的參考。

測(cè)試DK6孔110.5—274.9 m間15個(gè)氣體樣品中的CH4濃度和其碳同位素, 具體實(shí)驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)黃霞等(2011)。

1.3 脂肪酸提取和測(cè)試

脂肪酸的提取和分析在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所氣體地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

選取的樣品經(jīng)過(guò)冷凍干燥以后, 研碎至大于80 目, 用二氯甲烷與甲醇溶液(3:1, 體積比)浸泡24 h,超聲萃取 3次(15 min/次), 將三次萃取液過(guò)濾后濃縮至約 5 mL, 然后用 1 mol/L的 KOH的甲醇-水 (5:1, 體積比)溶液65℃皂化4 h, 冷卻后用正己烷-乙醚(9:1, 體積比)溶液萃取(3次), 萃取液為非皂化中性類(lèi)脂物。下層堿液用10%的鹽酸酸化至pH為2, 然后用正己烷-乙醚(7:3, 體積比)溶液萃取(3次),將萃取液濃縮至約5 mL, 加20%的BF3甲醇溶液(60% BF3:甲醇=1:3), 70℃酯化1.5 h, 用正己烷-乙醚(9:1, 體積比)溶液萃取(3次), 萃取液自然干燥后用GC-MS分析(Garcette-Lepecq et al., 2004)。

圖1 祁連山凍土區(qū)采樣點(diǎn)分布(據(jù)祝有海等, 2010修改)Fig. 1 Location of two sampling drill holes (DK3 and DK6 ) in the Qilian Mountain permafrost (modified after ZHU et al., 2010)

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀型號(hào)為HP 6890/HP 5973 NGC-MS。色譜分析條件: DB-5毛細(xì)管柱(50 m× 0.25 mm×0.25 μm), 初始溫度80℃, 以3℃/min程序升溫至300℃, 終溫恒定20 min, 進(jìn)樣口溫度300℃,載氣為氦氣。質(zhì)譜分析條件: 電離方式 EI, 電離能量 70 eV, 離子源溫度 230℃, GC-MS接口溫度280℃(王永莉等, 2007)。

1.4 脂類(lèi)命名法則

脂肪酸(FA)分子式用“X:YωZ(c/t)”表示。其中: X表示脂肪酸分子的總碳原子數(shù); Y表示烯鍵的數(shù)目; ω表示雙鍵的位置(從分子的羧基端記數(shù)); Z表示烯鍵或環(huán)丙烷鏈的位置; c和t分別表示順式和反式同分異構(gòu)體。

通常得到的脂肪酸可以分為直鏈飽和脂肪酸(SSFA), 支鏈飽和脂肪酸(BSFA), 單鍵不飽和脂肪酸(MUFA), 環(huán)丙烷脂肪酸(CFA), 羥基脂肪酸(OHFA)和多鍵不飽和脂肪酸(PUFA)6種(董黎明, 2011)。微生物除含有在其他生物中常見(jiàn)的SSFA以外, 一些脂肪酸類(lèi)型可以作為特定功能微生物的生物標(biāo)記物(顏慧等, 2006)。在現(xiàn)有的研究中, FA一般只能粗略地區(qū)分革蘭氏陽(yáng)性、陰性菌, 好氧細(xì)菌、厭氧細(xì)菌、真菌等。i15:0, a15:0, 16:0, 16:1, i17:0, a17:0, 18:1, cy17:0, cy19:0(i表示異構(gòu)支鏈脂肪酸; a表示反異構(gòu)支鏈脂肪酸; cy表示環(huán)丙烷基)的含量總和代表細(xì)菌含量; 好氧細(xì)菌(Aerobic bacteria)的特征 FA為: MUFA; 厭氧細(xì)菌(Anaerobic bacteria)的特征FA為: CFA(Bernard et al., 1991); 革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(Gram-positive bacteria)的特征性FA為: BSFA (Liu et al., 2009); 革蘭氏陰性細(xì)菌(Gram-negative bacteria)的特征性FA為: MUFA, CFA (Zelles, 1999);真菌(Fungi)的特征性FA為: PUFA(Kendrick et al., 1992)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用 PAST(Palaeontological statistics, version 1.21)軟件對(duì)鉆孔不同深度樣品中不同類(lèi)型脂肪酸相對(duì)含量進(jìn)行主成分分析(Principal components analysis, PCA), 提取PC1和PC2并作圖, 探討微生物的群落結(jié)構(gòu)。分別對(duì)每一鉆孔不同深度微生物群落進(jìn)行聚類(lèi)分析(Cluster analysis), 探討同一鉆孔中微生物群落的差異性(Hammer et al., 2008)。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物FA特征及變化

2.1.1 DK3和DK6鉆孔中微生物FA特征組成

對(duì)DK3和DK6鉆孔中FA的組成分析結(jié)果表明, FA組成具有一定共性: 兩個(gè)鉆孔均檢測(cè)到C12 到 C24二十六種 FA, 有明顯的偶碳優(yōu)勢(shì), 并且C16:0相對(duì)含量最高。

本研究中獲得的 FA可以分成 BSFA, MUFA, CFA, PUFA, SSFA五大類(lèi)型(圖2)。SSFA包括: C12:0, C13:0, C14:0, C15:0, C16:0, C17:0, C18:0, C19:0, C20:0, C21:0, C22:0, C23:0, C24:0。從各深度樣FA變化來(lái)看, SSFA相對(duì)含量均較高, 約占FA總含量的87%～97%, 其余幾種類(lèi)型脂肪酸相對(duì)含量較低。

MUFA包括: C16:1ω9c, C16:1ω7c, C16:1ω5c, C18:1ω9c, C18:1ω9t, C18:1ω7c, C18:1ω7t, C20:1ω9c, C22:1ω9c。該類(lèi) FA也都出現(xiàn)于兩個(gè)鉆孔的所分析樣中, 其在 DK3鉆孔中相對(duì)含量(1%～12%)低于DK6鉆孔(3%～21%)。

本研究檢測(cè)到的PUFA為: C18:2ω6c。DK3鉆孔中 PUFA 約占總含量的 0.4%～1.2%, 且在147—241.7 m深度范圍內(nèi)未出現(xiàn)該類(lèi)脂肪酸; DK6鉆孔PUFA約占總含量的0.4%～2%。

BSFA包括: a15:0, i16:0。在DK3鉆孔該類(lèi)FA僅出現(xiàn)于223.1 m樣品中。而在DK6鉆孔中BSFA分布深度范圍相對(duì)較廣, 出現(xiàn)在2 m, 175 m, 203.7 m, 274.9 m, 330.5 m深度, 相對(duì)含量為0.5%～5%, 有明顯隨深度加深相對(duì)含量減少的趨勢(shì)。

僅檢測(cè)到一類(lèi)FA屬于CFA: cy17:0, 且只出現(xiàn)在DK3鉆孔231.5 m深度, 該深度獲得天然氣水合物。

2.1.2 微生物群落組成特征及垂直變化

根據(jù)特征性FA對(duì)微生物的指示作用分析得出,兩個(gè)鉆孔中微生物均由革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)、革蘭氏陰性菌(G-)和真菌(Fungi)組成, 并且革蘭氏陰性菌均占最大比例(圖2), 革蘭氏陽(yáng)性菌所占比例最少。

圖2 DK3(a)、DK6(b)鉆孔巖性、FA及微生物組成隨深度的變化趨勢(shì)圖(據(jù)龐守吉, 2012改編)Fig. 2 Depth patterns of the lithology, FA and microbial communities from Drill Hole DK3(a) and DK6(b) (modified after PANG, 2012)

革蘭氏陽(yáng)性菌僅出現(xiàn)于在DK3鉆孔223 m深度中, 相對(duì)含量為 0.45%, 該深度未獲得水合物實(shí)物樣。該類(lèi)細(xì)菌在DK6鉆孔含量也較少, 除了175 m,203.7 m兩個(gè)深度以外, 其余革蘭氏陽(yáng)性菌出現(xiàn)的深度均無(wú)甲烷異常。

革蘭氏陰性菌在DK3鉆孔(142—390 m)中相對(duì)含量為0.8%～11.2%。在DK6鉆孔(96—213 m)該類(lèi)群相對(duì)含量為3%～12%。

2.2 微生物群落的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2.2.1 微生物群落的主成分分析

鉆孔中FA相對(duì)含量的PCA結(jié)果表明, 前兩個(gè)主成分(PC1, PC2)解釋了微生物群落結(jié)構(gòu)總變異的82.6%, 其中第一主成分的貢獻(xiàn)值為 69.9%(圖 3)。兩根鉆孔不同深度樣品比較均勻地分布在PC1坐標(biāo)軸的左右端, DK3鉆孔含水合物層位主要分布在PC1的右側(cè)。第二主成分對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)變異的貢獻(xiàn)值為12.7%, DK6鉆孔中有水合物異常的層位,主要分布在PC2的下側(cè)。

2.2.2 微生物群落的聚類(lèi)分析

分別將DK3、DK6鉆孔不同深度樣品中FA相對(duì)含量運(yùn)用 PAST軟件做聚類(lèi)分析, 距離系數(shù)采用Bray-Curtis(圖4)。

DK3鉆孔分析結(jié)果得出, 不同深度的樣品明顯分為兩大類(lèi), 147.8 m, 231.5 m, 389 m, 144.9 m為一類(lèi), 這 4個(gè)深度樣均獲得了水合物樣品, 說(shuō)明同一根巖心中含水合物的層位與不含水合物層位的 FA組成是有差異的。

對(duì)DK6鉆孔進(jìn)行分析, 不同深度的樣品也分為兩類(lèi), 167.5 m, 267.5 m為一類(lèi), 這兩個(gè)深度樣有甲烷異常, 說(shuō)明同一根巖心有水合物的存在或者有甲烷異常在一定程度上會(huì)影響FA的分布。

3 討論與結(jié)論

3.1 鉆孔沉積物FA分布與甲烷和水合物分布對(duì)比

測(cè)試結(jié)果顯示, DK2鉆孔中 CH4濃度在120～380 mL/L范圍內(nèi); 其碳同位素分布范圍為-24.5‰ ～ -47.2‰, 平均值為-39.6‰。DK6鉆孔中CH4濃度在20～870 mL/L范圍內(nèi); 甲烷碳同位素分布范圍為-39.3‰ ～ -58.1‰, 平均值為-48.7‰。前人研究表明在甲烷富集的環(huán)境如有孔蟲(chóng)殼體碳酸巖(Kennett et al., 2000)和自生碳酸巖(Peckmann et al., 2004)中,13C強(qiáng)烈負(fù)偏, 并且生物成因的甲烷有極負(fù)的13C值(狄永軍等, 2003)。此次研究的兩個(gè)鉆孔中, 甲烷濃度在水合物產(chǎn)出層位和水合物異常層位均增高, 其甲烷碳同位素都強(qiáng)烈偏負(fù)(圖5)。

在天然氣水合物賦存區(qū)或甲烷異常區(qū), 沉積物中會(huì)特異性地出現(xiàn)與甲烷相關(guān)的微生物, 比如參與AOM 這一重要生物地球化學(xué)反應(yīng)的厭氧甲烷氧化古菌(Blair et al., 1995; Iversen et al., 1985; Boetius et al., 2004; Knittel et al., 2005)。除此之外, 還有另一部分好氧甲烷菌也會(huì)特異性存在(McDonald et al., 2008), 該類(lèi)菌又被劃分為I型和II型, I型甲烷氧化菌中 C16:1是最主要的脂類(lèi)化合物(Bédard et al., 1989; Murrell et al., 1998), II型甲烷氧化細(xì)菌則以C18:1酸為主(Bodelier et al., 2009)。雖然這兩種脂肪酸并不是甲烷氧化菌的特異性脂肪酸, 但是它們是甲烷氧化菌類(lèi)脂物中最主要成分, 所以 C16:1和C18:1的相對(duì)含量一定程度上可以反映甲烷氧化菌所占的比例(Bodelier et al., 2009; Nichols et al., 1987)。

圖3 DK3、DK6不同深度FA的主成分分析Fig. 3 Principal components analysis (PCA) of FA in different depths of DK3 and DK6

圖4 DK3、DK6孔不同深度樣品的聚類(lèi)分析Fig. 4 Cluster analysis of FA in the different depths of Drill Hole DK3(a) and DK6(b)

兩個(gè)鉆孔中, MUFA相對(duì)含量均較低, 其中主要為C16:1, C18:1這兩類(lèi)脂肪酸。DK3鉆孔C16:1的相對(duì)含量平均值為0.56%; C18:1相對(duì)含量平均值為 5.92%, 圖 5陰影部分顯示了鉆孔有水合物異常的層位和水合物產(chǎn)出層位, 在這幾個(gè)深度范圍內(nèi), C16:1與 C18:1的相對(duì)含量較高, 與甲烷濃度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雖然在DK6鉆孔未獲得天然氣水合物實(shí)物樣品, 但是在有甲烷異常的深度范圍內(nèi)C16:1和C18:1兩種FA也明顯增多, 可以大致說(shuō)明這兩種 FA與甲烷的異常也存在著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 DK3、DK6巖心柱沉積物中與甲烷有關(guān)的特征FA隨深度分布圖Fig. 5 Depth patterns of the characteristic FA related to methane from Drill Hole DK3 and DK6

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)水合物區(qū)微生物多樣性的研究重點(diǎn)集中在海洋環(huán)境水合物, 凍土帶水合物區(qū)微生并且較多地出現(xiàn)在DK6鉆孔無(wú)水合物異常中, 這一現(xiàn)象是否具有特異性, 以及是否可以用來(lái)區(qū)分含水合物和不含水合物鉆孔中的 FA組成, 需要更多的后續(xù)研究進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 凍土層微生物組成特征

根據(jù)測(cè)井資料顯示, 研究區(qū)的凍土厚度為95 m(龐守吉, 2012)。本研究DK6鉆孔有4個(gè)深度樣屬于凍土層沉積物, 分析凍土層沉積物樣品中 FA的組成特征對(duì)拓寬 FA及微生物的研究載體具有重要意義。

在凍土層4個(gè)深度樣品中SSFA均占有最優(yōu)勢(shì)地位, 并且隨著深度的增加其相對(duì)含量減少; MUFA是第二大優(yōu)勢(shì) FA, 也出現(xiàn)在每一個(gè)所分析的深度樣中, 并且隨著深度的增加其相對(duì)含量增加; PUFA未出現(xiàn)于15.5 m深度樣中; 而B(niǎo)SFA只出現(xiàn)在最表層樣品中(圖6)。

圖6 DK6鉆孔巖心凍土沉積物中FA隨深度分布圖Fig. 6 Depth patterns of all FA fractions and characteristic FA related to methane from permafrost of Drill Hole DK6

根據(jù)特征性 FA與微生物類(lèi)群的對(duì)應(yīng)性關(guān)系可以看出, 在DK6鉆孔的淺表層(2 m), 微生物類(lèi)群最豐富, 包含 G+、G-以及少量的 Fungi, 推測(cè)由于該處較接近地表, 有機(jī)質(zhì)較于巖心深部含量豐富, 所以微生物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較為充足。并且隨著深度的增加, 微生物多樣性明顯降低, 在凍土層的較深部(33.5 m), 僅能識(shí)別出少量的G-。

DK6鉆孔表層樣品中, 兩種與甲烷有關(guān)的微生物脂類(lèi)(C16:1, C18:1)的含量均較高, 推測(cè)由于DK6鉆孔上部斷層發(fā)育(圖 2b), 下覆地層中甲烷氣體大量向上運(yùn)移, 給以甲烷為生的微生物提供充足的養(yǎng)分, 因此與甲烷有關(guān)的微生物含量較高。

本次研究首次獲得凍土沉積物中FA組成特征,更豐富了 FA的分布范圍, 具體機(jī)理有待更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明。

3.3 鉆孔中真菌分布特征

真菌幾乎出現(xiàn)在兩個(gè)鉆孔的各深度樣中, 相對(duì)含量為 0.5%～2%, 并且鉆孔深部(300 m)仍然能檢測(cè)到與真菌有關(guān)的FA。為了最大化獲取生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì), 真菌通常生長(zhǎng)在固體基質(zhì)的表層及其內(nèi)部, 或作為單細(xì)胞生活在水生環(huán)境中(Moss, 1986)。并且在目前現(xiàn)有的研究, 絕大多數(shù)是分析

10—50 cm 深度范圍內(nèi)沉積物中真菌的分布特征(Damare et al., 2006; Kabir et al., 1998; Neville et al., 2002)。

本次結(jié)果擴(kuò)大了真菌的分布深度, 初步推測(cè)有以下兩點(diǎn)原因: 真菌可存活于較深的巖石裂隙中;另一種原因是, 鉆探過(guò)程中, 上部泥漿流入下部,但是由于巖石堅(jiān)硬, 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理階段無(wú)法將巖心表層切除, 因此將鉆孔上部代表真菌的FA帶入下部。如圖 2所示, 兩個(gè)鉆孔較淺深度和底部的微生物組成結(jié)構(gòu)上有很大差異, 尤其是DK6極為明顯, 這種現(xiàn)象一定程度上可以排除鉆孔上部樣品帶入下部造成污染。在今后的研究中將進(jìn)行改進(jìn)方法, 以更準(zhǔn)確地排除該部分誤差。

綜上所述, 本研究初次運(yùn)用脂肪酸的分析方法對(duì)凍土帶天然氣水合物區(qū)巖心中的微生物群落的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行探討, 所得結(jié)果豐富了凍土帶中 FA數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)C16:1和C18:1這兩類(lèi)脂肪酸與甲烷的異常有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 并很難得的獲得了凍土層沉積物中微生物FA組成記錄。從另一方面證明了水合物異常影響了微生物組成分布。本次研究首次獲得凍土沉積物中FA組成特征, 更豐富了FA的分布范圍, 擴(kuò)大了真菌的分布深度, 具體機(jī)理有待更多的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明。

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Discrimination of Microbial Diversity by Fatty Acid in Drill Hole DK3 and DK6 in a Gas Hydrate Area, Qilian Mountain Permafrost

JIAO Lu1, 2), SU Xin1, 2)*, HUANG Xia3), LIU Hao-dong1, 2), HE Hao2), JIANG Hong-chen4), WANG Yong-li5)

1) State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 2) School of Ocean Sciences, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083; 3) Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 4) State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan, Hubei 430000; 5) Key Laboratory of Gas Geochemistry, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, Gansu 730000

The fatty acid (FA) method was used to evaluate microbial community diversity in (gas hydrate-bearing) Drill Hole DK3 and (hydrate-absent) Drill Hole DK6 in Qilian Mountain permafrost. 26 kinds of FA obtained in this study were divided into five types: BSFA, MUFA, CFA, PUFA and SSFA, with SFA being the dominantcomponent. Microbial community of the cores from the two drill holes contain gram positive bacteria, gram negative bacteria and fungi classified from specificity FA. Principal component analysis and cluster analyses of FA from the two cores were performed using the PAST (palaeontological statistics, version 1.21) program. No significant difference of microbial components was observed between DK3 and DK6, but there did exist obvious difference of microbial components between gas hydrate-bearing (or methane anomaly) layer and hydrate-absent (or methane anomaly-absent) layer. The authors found that C16:1, C18:1 and methane anomaly have very good corresponding relationship. These phenomena prove from another side that methane concentration and gas hydrate may affect microbial habitats in Drill Hole DK3 and DK6. This is the first study of FA composition characteristics in permafrost sediments, and the results enrich the distribution range of FA and also expand the distribution depth of fungi; nevertheless, more experiments are needed to prove the specific mechanism.

fatty acid; microbial diversity; gas hydrate; Qilian Mountain permafrost

Q547; Q938

A

10.3975/cagsb.2014.05.10

本文由天然氣水合物勘查與試采工程國(guó)家專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“陸域天然氣水合物環(huán)境監(jiān)測(cè)及效應(yīng)研究”(編號(hào): GZHL20110327)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“祁連山凍土區(qū)天然氣水合物區(qū)沉積物中微生物多樣性研究”(編號(hào): 2011PY0195)聯(lián)合資助。

2014-04-02; 改回日期: 2014-05-22。責(zé)任編輯: 魏樂(lè)軍。

焦露, 女, 1987年生。博士研究生。主要從事水合物區(qū)地質(zhì)微生物研究。通訊地址: 100083, 北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)。電話: 010-82334651。E-mail: littlebunny7@163.com。

*通訊作者: 蘇新, 女, 1957年生。教授, 博士生導(dǎo)師。主要從事微體古生物、海洋地質(zhì)和天然氣水合物調(diào)查與研究。通訊地址: 100083,北京市海淀區(qū)學(xué)院路29號(hào)。電話: 010-82335403。E-mail: xsu@cugb.edu.cn。