胡萬婷,唐 千,孫 偉,朱立峰,邢 鵬

(1.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210046；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039；4.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 210044)

水體中藍(lán)藻水華分解產(chǎn)甲烷動(dòng)態(tài)過程研究

胡萬婷1,2,唐 千2,3,孫 偉2,4,朱立峰1,邢 鵬2*

(1.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210046；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210008；3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039；4.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院,江蘇 南京 210044)

在巢湖開展藍(lán)藻分解的原位圍隔實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)期間測(cè)定圍隔中層水體溶解性甲烷濃度和主要理化因子,通過定量PCR的方法測(cè)定產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)以及細(xì)菌和古菌16S rRNA基因拷貝數(shù)隨時(shí)間的變化情況.結(jié)果顯示:隨著藍(lán)藻有機(jī)質(zhì)分解,水體產(chǎn)甲烷菌數(shù)量逐漸增加,溶解性甲烷濃度最高達(dá)到2.94mg/L;產(chǎn)甲烷菌m crA基因拷貝數(shù)與甲烷濃度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系;同時(shí)還發(fā)現(xiàn)水體中的亞鐵離子(Fe2+)含量與產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量具有顯著的正相關(guān)關(guān)系.上述結(jié)果支持藍(lán)藻水華爆發(fā)導(dǎo)致水體也成為甲烷生物合成熱點(diǎn)區(qū)域的觀點(diǎn).本研究獲得的結(jié)果有助于進(jìn)一步分析不同產(chǎn)甲烷熱點(diǎn)區(qū)域(水體和沉積物)對(duì)湖泊甲烷總體釋放量的貢獻(xiàn)情況.

甲烷；產(chǎn)甲烷菌；藍(lán)藻水華；厭氧分解；巢湖

甲烷是大氣中輻射強(qiáng)度僅次于二氧化碳的溫室氣體,其單分子增溫效應(yīng)是二氧化碳的25倍[1].大氣中甲烷濃度的持續(xù)增長是由其源匯平衡的改變引起的.土壤、濕地和湖泊等生境中微生物分解有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)甲烷過程對(duì)全球甲烷產(chǎn)量有著巨大的貢獻(xiàn).據(jù)估計(jì)淡水湖泊對(duì)于自然界甲烷釋放量貢獻(xiàn)率為6%～16%[2-4],尤其是藻源性有機(jī)質(zhì)豐富的富營養(yǎng)化湖泊,更有利于甲烷的生成[5],這些湖泊對(duì)局域乃至全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)亟待定量分析和評(píng)估.

巢湖是我國污染最重的三大淡水湖泊之一[6],水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致藍(lán)藻水華持續(xù)爆發(fā),8月水華爆發(fā)頻度達(dá)到最大[7].微囊藻(Microcystis spp.)是巢湖夏季藍(lán)藻的優(yōu)勢(shì)種[8],其柔軟的細(xì)胞壁由復(fù)雜的糖類和蛋白質(zhì)構(gòu)成[9],容易被破壞和消化.大量微囊藻生物質(zhì)的積累和分解會(huì)消耗水體中的溶解氧[10],造成局部湖區(qū)出現(xiàn)缺氧,甚至厭氧條件.溶氧條件是決定有機(jī)物分解途徑和生成產(chǎn)物的關(guān)鍵因素[11].局部區(qū)域的缺氧會(huì)提高厭氧微生物尤其是產(chǎn)甲烷菌的活性.目前在巢湖還尚未開展過有關(guān)微生物驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)甲烷過程和機(jī)制的相關(guān)研究.

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為,富營養(yǎng)化湖泊沉積物才是甲烷產(chǎn)生的熱點(diǎn)區(qū)域[12-13],然而水體中是否有甲烷產(chǎn)生、其產(chǎn)生機(jī)制以及參與的微生物類群尚不清楚.此外,湖泊主要理化環(huán)境因子對(duì)水體產(chǎn)甲烷過程存在何種影響尚不明確.本研究采用氣相色譜結(jié)合熒光定量PCR(qPCR)技術(shù),通過比較不同藍(lán)藻添加水平下,無底和有底圍隔下層水柱的溶解性甲烷濃度,分析水體細(xì)菌、古菌以及產(chǎn)甲烷菌甲基輔酶M還原酶A(mcrA)基因拷貝數(shù)的動(dòng)態(tài)變化,試圖揭示水體中甲烷濃度動(dòng)態(tài)變化的影響機(jī)制,為深入認(rèn)識(shí)富營養(yǎng)化淺水湖泊碳循環(huán)和湖泊甲烷釋放提供野外數(shù)據(jù)支持.

1 方法

1.1 原位圍隔設(shè)置和樣品采集

2015年7月底在巢湖(北緯N31°31′49.01″東經(jīng)E117°32′56.12″)岸帶設(shè)置6個(gè)圍隔,圍隔尺寸為5.0m(長)×5.0m(寬)×3.5m(深).將圍隔平分成有底圍隔(底部密閉)和無底圍隔(底部與沉積物和周圍水體聯(lián)通)2組,目的是探索在沒有沉積物參與的情況下水柱中是否存在甲烷產(chǎn)生所需的環(huán)境條件.藍(lán)藻直接從巢湖水面打撈富集.每組3個(gè)圍隔分別設(shè)不添加藍(lán)藻(Low),添加50L新鮮藍(lán)藻(Middle)以及添加150L新鮮藍(lán)藻(High).初始藍(lán)藻生物量以葉綠素a (Chla)濃度表示,測(cè)定結(jié)果分別為15822.57,18131.60,22336.79μg/L.實(shí)驗(yàn)開始于2015年8月6日(第0d),而后于第2,5, 7,9,11,12d采集圍隔中心水深2.0m處水樣.

1.1.1 溶解性甲烷樣品的采集 用5L量程的Niskin 采水器采集圍隔下層湖水,通過乳膠管將水樣從釆水器緩慢注入100mL的玻璃頂空瓶底,避免氣泡和渦旋產(chǎn)生,并使水樣溢出約瓶容積的一半時(shí),慢慢抽出乳膠管.立刻用帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的丁基橡膠塞和鋁蓋將瓶口迅速密封,并用錫箔紙包住樣品瓶身,放到黑暗的保溫箱里,低溫避光保存,盡快運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室,4℃冷藏室保存,用作溶解性甲烷的測(cè)定.

1.1.2 水體理化因子分析樣品采集 現(xiàn)場(chǎng)采用水質(zhì)分析儀(YSI6920,美國)測(cè)定下層水柱的溶解氧(DO)、水溫和pH.采水器里剩余的水樣用潔凈的棕色瓶子保存,用于下層水Chla、溶解性有機(jī)碳(DOC)和一些理化因子,包括總氮(TN)、總磷(TP)、硝酸根(NO3-N),亞硝酸根(NO2-N)、亞鐵離子(Fe2+)的測(cè)定.將下層水樣過濾到孔徑為0.22μm的聚碳酸酯濾膜(GTTP04700, Millipore,美國)上,用于后續(xù)對(duì)產(chǎn)甲烷菌、古菌和細(xì)菌DNA的qPCR定量分析.

1.2 樣品理化因子測(cè)定

TN、TP、NO3-N、NO2-N使用紫外分光光度計(jì)(UV-2450, Shimadzu公司,日本)測(cè)定. DOC分析運(yùn)用總有機(jī)碳分析儀(TOC-V CPN, Shimad-Zu公司,日本).Chla采用丙酮提取法和紫外-可見光分光光度計(jì)(HP8452,Agilent Technologies公司,美國)測(cè)定.

1.3 甲烷測(cè)定

溶解性甲烷采用氣相色譜(GC7900,天美公司,上海)的FID檢測(cè)器測(cè)定,進(jìn)樣口溫度160℃;柱溫90℃;FID檢測(cè)器220℃.首先取固定的水樣50mL置于120mL的頂空瓶中,水浴50℃振蕩平衡40min.用氣密性針抽取頂空上方的氣體500μL,注入色譜進(jìn)樣口,點(diǎn)擊開始進(jìn)行測(cè)樣.根據(jù)甲烷分壓-峰面積標(biāo)準(zhǔn)曲線(R2＞0.999)計(jì)算樣品甲烷濃度,結(jié)果轉(zhuǎn)化為單位體積水樣含有甲烷的質(zhì)量.計(jì)算公式[14]如下:

式中:TC為溶解性甲烷濃度,mg/L;p為甲烷分壓, mol/mol;H為甲烷亨利定律常數(shù);M為甲烷相對(duì)分子質(zhì)量,g/mol;T為樣品溫度,°K;V1為頂空氣體體積,mL;V2為水樣體積,L.

1.4 水樣基因組DNA提取

將過濾水樣的濾膜剪碎,浸沒于TES lysis buffer(20mmol/L EDTA, 100mmol/L Tris, 0.8%SDS, pH 8.12),采用酚/氯仿/異戊醇方法提取DNA,將DNA溶解在30μL無菌水中備用.具體的DNA提取步驟參見文獻(xiàn)[15].

1.5 qPCR測(cè)定

1.5.1 標(biāo)準(zhǔn)品的制備方法 將提取的DNA分別進(jìn)行細(xì)菌16SrRNA基因、古菌16SrRNA基因和mcrA基因的PCR擴(kuò)增,引物序列和退火溫度見表1.PCR反應(yīng)體系為50μL,其中TAKARA Premix 25μL,前向和反向引物各2μL,模板DNA 1μL,無菌雙蒸水20μL.PCR反應(yīng)程序:95℃預(yù)變性5min,95℃變性45s,退火30s,72℃延伸1min,共進(jìn)行30個(gè)循環(huán),72℃延伸10min,4℃保存.PCR產(chǎn)物分別用1.2%瓊脂糖凝膠電泳,運(yùn)用膠回收試劑盒(DNA Fragment Purification Kit, TaKaRa公司,日本)將目的基因片段割膠回收純化.標(biāo)準(zhǔn)品運(yùn)用DNA濃度計(jì)(NanoDrop 2000c, Thermo Scientific公司,美國)進(jìn)行DNA濃度測(cè)定.結(jié)果A260nm/A280nm為1.8～2.0,表明標(biāo)準(zhǔn)品DNA純度可以用于qPCR.根據(jù)3種標(biāo)準(zhǔn)品DNA濃度分別計(jì)算它們的基因拷貝數(shù).換算公式如下:

式中:C為標(biāo)準(zhǔn)品濃度,ng/μL.將母液分別做梯度稀釋,制成108～104copies/μL一系列梯度濃度標(biāo)準(zhǔn)品分裝凍存?zhèn)溆?

表1 細(xì)菌16SrRNA,古菌16SrRNA和產(chǎn)甲烷菌mcrA基因qPCR引物Table 1 qPCR primers for bacterial 16SrRNA, archaeal16SrRNA and mcrA gene of methanogen

1.5.2 樣品qPCR檢測(cè) 將3種標(biāo)準(zhǔn)品分別運(yùn)用到qPCR的樣品檢測(cè)中.以提取的微生物DNA作為模板.qPCR反應(yīng)體系20μL:SYBR? Premix Ex Taq?(Takara,日本)10μL,引物各0.5μL,模板DNA 1μL,無菌雙蒸水8μL.qPCR反應(yīng)在熒光定量?jī)x(CFX96Touch, BIO-RAD, 美國)上完成.所有反應(yīng)都設(shè)置兩個(gè)平行,以及陰性對(duì)照(以無菌水為模板).3種目標(biāo)基因定量都采用3步法.細(xì)菌16SrRNA基因定量:95℃預(yù)變性2min,95℃變性15s,56℃退火30s,72℃延伸30s,35個(gè)循環(huán)(熒光信號(hào)在該處采集);熔解曲線分析,溫度以1℃/30s的速度從60℃上升到95℃.古菌16SrRNA基因和mcrA基因都遵循:95℃預(yù)變性2min,95℃變性15s,53℃退火30s,72℃延伸30s,35個(gè)循環(huán);熔解曲線分析,溫度以1℃/30s的速度從60℃上升到95℃.3種標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程相關(guān)系數(shù)R2＞0.999,擴(kuò)增效率在92%～105%之間,說明qPCR達(dá)到了良好的擴(kuò)增效果.根據(jù)樣品的Ct值計(jì)算樣品的基因拷貝數(shù),并將單位轉(zhuǎn)化成copies/mL.

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.分析圍隔的有無底以及藍(lán)藻添加量的多少對(duì)各種環(huán)境因子和甲烷產(chǎn)量以及3種基因拷貝數(shù)的顯著性影響.對(duì)按無底圍隔和有底圍隔歸類、并且符合方差齊性的所有變量進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn),對(duì)不合方差齊性的變量進(jìn)行2個(gè)相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn);運(yùn)用Pearson相關(guān)方法分析溶解性甲烷濃度與環(huán)境因子,如營養(yǎng)鹽、金屬離子、底物(Chla,有機(jī)碳)以及微生物數(shù)量(產(chǎn)甲烷菌,細(xì)菌,古菌基因拷貝數(shù))的相關(guān)性.運(yùn)用線性回歸模擬甲烷產(chǎn)量和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的函數(shù)關(guān)系.

2 結(jié)果

2.1 不同藍(lán)藻添加量對(duì)產(chǎn)甲烷濃度的影響

圖1 不同藍(lán)藻添加量圍隔中層水柱溶解性甲烷濃度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)Fig.1 Dissolved methane dynamics inmesocosms with different amount of Microcystis spp. biomass addition

實(shí)驗(yàn)期間圍隔中水溫為19.9～21.5℃,pH值為6.69～7.51.湖泊環(huán)境中溶氧條件是決定有機(jī)物分解途徑和生成產(chǎn)物的關(guān)鍵因素.實(shí)驗(yàn)開始后6個(gè)圍隔DO濃度始終均為0mg/L,指示圍隔體系中一直維持缺氧的狀態(tài).6個(gè)圍隔中水體Chla濃度均先增加,而從第7d都大幅度減少,至第12d各圍隔Chla平均濃度為479.15μg/L(最小濃度低于166.96μg/L),僅為初始濃度的0.75%.Chla濃度的變化一定程度上反映了圍隔中藻類的消亡過程,甲烷生成的底物可能大部分來自于藍(lán)藻分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì).

如圖1所示,大部分圍隔下層水柱中的甲烷濃度在初期都很低,隨著時(shí)間推移增加,最高可達(dá)2.94mg/L.圍隔的有無底對(duì)甲烷的產(chǎn)量具有顯著影響(P＜0.05,圖2).有底圍隔的水柱中甲烷濃度高于無底圍隔,尤其是當(dāng)添加High水平的藍(lán)藻時(shí),有底圍隔中的甲烷濃度一直處于最高.藍(lán)藻添加量對(duì)下層水柱甲烷產(chǎn)量的影響因圍隔有無底而存在差異.添加不同藍(lán)藻量的無底圍隔之間,甲烷產(chǎn)量差異并不顯著;而在有底圍隔中,藍(lán)藻不同添加量組間差異顯著(P＜0.05).在有底圍隔中,藍(lán)藻添加量越多,甲烷濃度越高,表明水柱中藍(lán)藻賦存量會(huì)影響甲烷產(chǎn)量.

圖2 不同藍(lán)藻添加量在無底和有底圍隔中溶解性甲烷濃度比較Fig.2 Comparison of dissolved methane concentration between mesocosms with and without bottoms

2.2 藍(lán)藻水華分解過程中細(xì)菌、古菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量變化

細(xì)菌和古菌16SrRNA基因拷貝數(shù)總體上具有一致的變化趨勢(shì)(圖3).在厭氧分解初期,6個(gè)圍隔的水柱中細(xì)菌和古菌16SrRNA基因拷貝數(shù)均隨時(shí)間推移而增多,幾乎都在第5d達(dá)到峰值.細(xì)菌16SrRNA基因拷貝數(shù)最高6.85×109copies /mL,古菌的16SrRNA基因拷貝數(shù)最高也有8.22× 108copies/mL.各個(gè)圍隔的產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)呈現(xiàn)逐步增多的趨勢(shì),幾乎均在第11d達(dá)到峰值.其中添加High水平的有底圍隔下層水mcrA拷貝數(shù)最高可達(dá)2.15×108copies/mL,增加幅度約為初始濃度的93倍.

圖3 不同藍(lán)藻添加量圍隔細(xì)菌和古菌16SrRNA基因以及產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)Fig.3 Dynamic of bacterial and archaeal 16SrRNA gene and methanogen mcrA gene copy numbers in mesocosms with and without bottomsunder different amount of Microcystis spp.

藍(lán)藻添加量和圍隔有無襯底對(duì)于細(xì)菌、古菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量具有不同的影響.如圖4a所示,在無底圍隔中,細(xì)菌數(shù)量隨著藍(lán)藻添加量增多而增多,在無底圍隔中結(jié)果相反.統(tǒng)計(jì)分析顯示圍隔有無底對(duì)細(xì)菌16SrRNA基因拷貝數(shù)存在顯著影響(P＜0.05).圖4b顯示,藍(lán)藻添加量在無底圍隔中對(duì)于古菌數(shù)量的作用不明顯.但是在有底圍隔中,藍(lán)藻添加量越多,古菌數(shù)量越多.有底圍隔中古菌16SrRNA基因拷貝數(shù)顯著高于無底圍隔.圖4c表明,在有底圍隔中,產(chǎn)甲烷菌數(shù)量隨著藍(lán)藻添加量的增加而明顯增多.藍(lán)藻生物量對(duì)產(chǎn)甲烷菌具有重要影響(P＜0.05).當(dāng)藍(lán)藻添加量相同時(shí),尤其是添加藍(lán)藻量都為High水平,有底圍隔中的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量顯著高于無底圍隔.

圖4 不同藍(lán)藻添加量無底和有底圍隔細(xì)菌和古菌16SrRNA基因以及產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)比較Fig.4 Comparisonof bacterial and archaeal 16SrRNA gene and methanogenmcrA gene copy numbers betweenmesocosms with and without bottomsunder different amount of Microcystis spp.

圖5 水體溶解性甲烷濃度與產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)的相關(guān)關(guān)系Fig.5 The correlation between methane concentration and mcrA gene copy number

產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量與甲烷產(chǎn)量變化趨勢(shì)具有一致性,統(tǒng)計(jì)分析顯示產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)與甲烷產(chǎn)量顯著正相關(guān)(Pearson r=0.855, P＜0.0001,圖5).在分解后期,添加High水平藍(lán)藻的有底圍隔中,產(chǎn)甲烷菌mcrA基因高拷貝數(shù)可能是高濃度甲烷產(chǎn)生的原因.

2.3 與產(chǎn)甲烷過程相關(guān)的環(huán)境因子分析

甲烷生成過程可能受到水體理化因子和微生物自身對(duì)于底物利用能力的限制.環(huán)境因子間的相關(guān)分析結(jié)果顯示,圍隔中TN、TP濃度彼此密切相關(guān);NO3-N濃度與Chl a濃度呈負(fù)相關(guān)(r= -0.377,P＜0.01),即藍(lán)藻厭氧分解過程中隨著Chl a濃度逐漸下降,NO3-N濃度升高.相關(guān)性分析還顯示許多環(huán)境因子對(duì)產(chǎn)甲烷菌、細(xì)菌和古菌數(shù)量都存在潛在的影響.產(chǎn)甲烷菌數(shù)量與Chl a濃度和溶解性有機(jī)碳DOC均顯著正相關(guān),藍(lán)藻生物質(zhì)(以Chl a表征)分解過程向周圍水體釋放DOC,可以為產(chǎn)甲烷菌生命活動(dòng)提供所需底物.此外還發(fā)現(xiàn)不論產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)還是甲烷濃度都與Fe2+濃度顯著正相關(guān).產(chǎn)甲烷菌、細(xì)菌和古菌的基因拷貝數(shù)變化都與TN存在顯著的正相關(guān)關(guān)系.水體中溶解性甲烷濃度除了與產(chǎn)甲烷菌數(shù)量相關(guān),還與細(xì)菌、古菌數(shù)量存在正相關(guān)性.藻源性有機(jī)質(zhì)降解過程是各種功能微生物共同作用的結(jié)果,某些功能菌群將藍(lán)藻有機(jī)質(zhì)大分子分解成小分子量的中間產(chǎn)物才可被產(chǎn)甲烷菌利用生成甲烷.

3 討論

3.1 藍(lán)藻水華分解形成的環(huán)境條件有助于甲烷的生物合成

產(chǎn)甲烷過程涉及到一系列酶促反應(yīng),其代謝過程受到環(huán)境因子(如溫度、pH值和金屬離子等)的影響.大部分產(chǎn)甲烷菌最適生長溫度通常在4～20℃[20],實(shí)驗(yàn)過程中圍隔中下層水溫平均為20.7±0.6℃,適宜產(chǎn)甲烷菌生長繁殖.產(chǎn)甲烷菌最適生長pH值為近中性環(huán)境[21],本實(shí)驗(yàn)測(cè)得水體pH平均值為7.45±0.06,符合產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的需求.

研究結(jié)果還顯示,有底圍隔水體Fe2+濃度為0.36～2.9mg/L,顯著高于無底圍隔(0.19～1.5mg/L).由于微囊藻對(duì)鐵(包括二價(jià)鐵和三價(jià)鐵[22])具有較強(qiáng)的吸收與儲(chǔ)存能力[23],分解過程導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)存貯的鐵元素釋放.而且,低氧化還原電位的缺氧水體也有利于Fe2+的穩(wěn)定存在[24].

相關(guān)分析顯示,圍隔水體中Fe2+與甲烷濃度具有極強(qiáng)的正相關(guān)性(r=0.764,P＜0.001).Fe2+對(duì)甲烷生成可能存在積極影響[25],一方面Fe2+是厭氧微生物不可缺少的微量元素,而且更是產(chǎn)甲烷菌生存必需元素[26],可以作為產(chǎn)甲烷菌的能量載體[27],另一方面Fe2+是許多酶的組成成分,還可以降低氧化還原電勢(shì)[28].我們推測(cè)Fe2+大量存在可能有助于產(chǎn)甲烷的生物合成.關(guān)于Fe2+促進(jìn)產(chǎn)甲烷過程的生物學(xué)機(jī)制有待進(jìn)一步研究.

3.2 湖泊厭氧水體中存在劇烈的產(chǎn)甲烷作用

有研究報(bào)道,產(chǎn)甲烷菌主要存在于湖泊沉積物和具有厭氧環(huán)境的顆粒物中[29].本研究設(shè)置有底和無底圍隔的處理,試圖明確在水柱中是否存在藻源性有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)甲烷所需的環(huán)境條件,換言之,通過原位模擬實(shí)驗(yàn)分析在無沉積物參與的情況下是否能夠完成藍(lán)藻有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)甲烷的微生物轉(zhuǎn)化過程.

關(guān)于我國富營養(yǎng)化淺水湖泊水體產(chǎn)甲烷菌數(shù)量的報(bào)到并不多見.本實(shí)驗(yàn)較為系統(tǒng)的研究了水體中甲烷產(chǎn)生的環(huán)境條件以及產(chǎn)甲烷過程的動(dòng)態(tài)變化.有底圍隔中未添加藍(lán)藻時(shí)產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)就有4.64×104copies/mL,高于淡水湖泊Kivu水柱中mcrA基因拷貝數(shù)(4.15×102～3.35×103copies/mL)[18].添加High水平藍(lán)藻的有底圍隔在厭氧分解后期,mcrA基因數(shù)最高增加到初始濃度的近100倍,高達(dá)2.15×108copies /mL.這一數(shù)值超過了黑龍江、安徽、山東地區(qū)沼氣池的沼泥樣品發(fā)酵后期沼液中產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)的最高值7.91×105copies/mL (僅比發(fā)酵初期的沼液中的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量增加了2.1倍)[30],更遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Kivu湖夏末底層水柱中的產(chǎn)甲烷菌mcrA基因拷貝數(shù)(2.21×103copies /mL)[18].可見,藻源性有機(jī)質(zhì)厭氧分解會(huì)引起產(chǎn)甲烷菌的快速增殖.

表2 主要環(huán)境因子,細(xì)菌16SrRNA、古菌16SrRNA和產(chǎn)甲烷菌mcrA基因之間相關(guān)系數(shù)Table 2 The correlation coefficient among major environmental factors, bacterial 16SrRNA, archaeal 16SrRNA and mcrA of methanogen

圍隔水體中溶解性甲烷產(chǎn)量隨著藻源性有機(jī)質(zhì)厭氧分解而增多,平均峰值(1.08±0.44)mg/L,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于長江下游底層水體中甲烷的平均濃度[(0.88±0.49)×10-3]mg/L以及鄱陽湖入長江口的甲烷濃度(3.9×10-3)mg/L[31].而其他淡水湖泊,如芬蘭南部城市一個(gè)富營養(yǎng)化湖泊Vesij?rvi湖的下層缺氧水柱中甲烷平均濃度也只0.23mg/L[32].富營養(yǎng)化Kasumigaura湖水體溶解性甲烷濃度在夏末時(shí)期最高,但不超過0.056mg/L[33].藍(lán)藻水華形成后的太湖梅梁灣水柱中的甲烷含量?jī)H有0.37～0.67mg/L[29],但水體產(chǎn)甲烷菌數(shù)量未見報(bào)道.不僅如此,藍(lán)藻水華分解后期水體中溶解性甲烷濃度最高達(dá)到2.94mg/L.而且當(dāng)添加的外源性藍(lán)藻有機(jī)質(zhì)的量越多時(shí),產(chǎn)甲烷菌數(shù)量也越多,這表明藍(lán)藻生物量賦存為產(chǎn)甲烷菌提供厭氧環(huán)境和豐富的基質(zhì).外源有機(jī)質(zhì)的累積刺激甲烷的生成[34].本研究結(jié)果表明,藍(lán)藻水華頻繁爆發(fā)的局部湖區(qū),缺氧水體同樣可以成為產(chǎn)甲烷的熱點(diǎn)區(qū)域,因此,水華嚴(yán)重的湖泊中甲烷的生成絕不僅僅局限于沉積物中的反應(yīng)過程.

4 結(jié)論

4.1 水華爆發(fā)導(dǎo)致的藍(lán)藻生物質(zhì)堆積分解,造成水體缺氧或者完全厭氧,顯著促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌的增殖.藍(lán)藻水華不僅為產(chǎn)甲烷菌提供了厭氧環(huán)境,還為其提供了豐富的基質(zhì).

4.2 多種環(huán)境因子對(duì)產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和溶解性甲烷濃度存在影響,水體中Fe2+的積累可能是促進(jìn)甲烷生成的誘因之一.

4.3 研究證實(shí)在缺氧水體中也能發(fā)生劇烈的產(chǎn)甲烷過程.藻源性有機(jī)碳在湖泊多位點(diǎn)的厭氧分解, 將加速富營養(yǎng)化淺水湖泊的碳循環(huán)過程,增加溫室氣體甲烷釋放的風(fēng)險(xiǎn).

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致謝：感謝中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所段洪濤研究員,杜瑛珣副研究員和佴兆駿同學(xué)對(duì)樣品采集和部分環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)定的協(xié)助.

Dissolved methane dynamics during the degradation of organic matter derived fromcyanobacterial bloom.

HU Wan-ting1,2, TANG Qian2,3, SUN Wei2,4, ZHU Li-feng1, X ING Peng2*
(1.College of Life Sciences, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China；2.State Key Laboratory of Lake and Environment, Nanjing Institute of Geography Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China；4.Applied Meteorological Institute, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：702～710

In shalloweutrophic lakes, methane production during the decomposition of organic matter derived fromcyanobacterial blooms and associated factors for the whole process in the water column remain poorly understood. In this work, in situ mesocosms experiment in Lake Chaohu were carried out to stimulate the Cyanobacteria anaerobic decomposition. During the process, dissolved methane concentration and the main environmental factors were measured at the water bottom. Quantitative real-time PCR method was applied to analyze the abundance of mcrA gene as well as the bacterial and archaeal 16S rRNA genes in each sample. Results showed that with the biomass decomposition, the amount of methanogens increased gradually in accordance with the accumulation of dissolved methane in the water column (maximumconcentration 2.94mg/L). A significantly positive correlation was detected between mcrA gene abundance and the dissolved methane concentration. Furthermore, there was also a significantly positive correlation between ferrous ions (Fe2+) concentration and the methanogen mcrA abundance. Our results support for the notion that water column can be a hot spot for the biosynthesis of methane due to the outbreak of cyanobacterial bloom. This study helps to compare the relative contribution of methane production between water column and surface sediments during the cyanobacterial blooms degradation.

methane；methanogens；cyanobacterial bloom；anaerobic decomposition；Lake Chaohu

X524

A

1000-6923(2017)02-0702-09

胡萬婷(1991-)女,安徽安慶人,南京師范大學(xué)碩士研究生,主要從事環(huán)境微生物學(xué)研究.發(fā)表論文1篇.

2016-06-16

國家“863”項(xiàng)目(2014AA06A509);國家自然科學(xué)基金資助目(31370508);中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)(2014273);湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(2012SKL005).

* 責(zé)任作者, 副研究員, pxing@nigalas.ac.cn