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科研 | Sci Total Environ：在湿地生态中，红树林相比稻田生境独特的细菌和古生菌多样性使其成为一种绿色生产系统

2021

06/08

微生态

A-

A+

红树林提供重要的生态系统服务功能，但由于气候变化引起的海平面上升以及人类活动，在上个世纪有40%的热带红树林消失了。

编译：微科盟小兵，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文，欢迎转发转载。

导读

红树林提供重要的生态系统服务功能，但由于气候变化引起的海平面上升以及人类活动，在上个世纪有40%的热带红树林消失了。印度申达本（Sundarban）有世界上最大的红树林，在1930年到2013年期间，这片红树林的绿化面积减少了10.5%，转变为主要以稻田为基础的生态系统。目前，印度申达本地区退化的红树林与毗连的稻田生态系统并存，形成了在土壤理化性质、碳动态和微生物多样性等方面具有鲜明性质的典型生态系统。我们通过利用16S rRNA基因V3-V4区的Illumina MiSeq宏基因组分析方法，研究了驱动温室气体排放和碳库积累的细菌和古菌的结构和功能多样性。利用遥感数据库对土壤和气体样品的采集地点进行选择。红树林（-0.04 mg m^-2 h^-1和-52.8 μg m^-2 h^-1）生境的甲烷和一氧化二氮排放量低于稻田（0.26 mg m^-2 h^-1和44.7 μg m^-2 h^-1）生境，这主要是因为红树林生境的碳底物有效性较低，而硫酸盐有效性较高（比稻田生境高85.8%）。红树林生境的土壤活性碳库较多，但受胁迫影响微生物活性较低。与稻田生境相比，红树林生境具有更高的甲烷氧化菌：产甲烷菌比值（11.2），更高的硫酸盐还原菌（SRB）：产甲烷菌比值（93.2），更低的功能多样性（7.5%），这可能是红树林生境低全球变暖潜能值（GWP）的关键驱动因素，使红树林生境成为一种绿色的生产系统。因此，即使在退化的红树林生境，土壤活性碳积累潜力（38%）和更低的全球变暖潜能值（63%）使其成为一种绿色的生产系统，而湿地稻田在减缓气候变化方面具有很高的潜力。在将来确定甲烷生成和甲烷消耗的主要酶通路的研究中，将会优先利用全基因组的宏基因组分析。

论文ID

原名：A unique bacterial and archaeal diversity make mangrovea green production system compared to rice in wetland ecology：A metagenomic approach

译名：在湿地生态中，红树林相比稻田生境独特的细菌和古生菌多样性使其成为一种绿色生产系统:宏基因组方法

期刊：Science of the Total Environment

IF：6.551

发表时间：2021.03.19

通讯作者：P. Bhattacharyya

通讯作者单位：印度农业研究理事会-中央稻田研究所

实验设计

结果

1.土壤理化性质

稻田和红树林生态系统土壤pH值分别为5.0 ~ 7.4和7.6 ~ 8.6。红树林的平均pH值大于8.0，稻田的平均pH值为6.3。同样，与稻田土壤（0.9 mS cm^-1和0.4 ppt）相比，红树林土壤的电导率（EC）和盐度也较高（平均电导率和盐度分别为4.7 mS cm^-1和1.5 ppt）。但两种生态系统的有机碳含量没有显著差异（表1）。

表1.退化红树林及毗连稻田生境的土壤理化性质。

2.红树林和毗连的稻田生态系统的细菌和古生菌多样性

变形菌门和绿弯菌门是红树林生境中丰度最高的门。在所有采样点，变形菌门的丰度百分比在 40.1 ~ 56.7%之间，然后是绿弯菌门（10.8 ~ 14.9%）（图1a）。同样，在稻田土壤中，变形菌门也是优势菌门（丰度从29.8到44.9%不等）（图1b）。其他门如厚壁菌门、放线菌门、酸杆菌门和绿杆菌门在稻田根际也占主导地位（图1b）。γ变形菌门、δ变形菌门和α变形菌门是红树林土壤的优势菌门，平均丰度百分比为18.7、14.5和12.5（图1c）。但在稻田生境中，杆菌纲是优势纲，其次是α变形菌纲和γ变形菌纲（图1d）。同样，红树林和稻田生境不同地点在目、科、属水平上的丰度百分比也存在差异。在退化的红树林和毗连的稻田生态之间，门水平的分布模式和相对丰度有明显的差异。

图1.申达本Sadhupur和Dayapur采样点（a）红树林生境优势门、（b）稻田土壤优势门、（c）红树林生境优势目、（d）稻田土壤优势目分类分布百分比水平。

3. 与温室气体排放相关的优势细菌和古细菌多样性

3.1 甲烷氧化菌和产甲烷菌

在红树林和稻田生境中都发现了不同的甲烷氧化菌。在稻田和红树林生境，甲基杆菌属均是优势菌属。在Sadhupur和Dayapur采样点，红树林生境中甲基杆菌reads的丰度分别为142.3和103.7，而在稻田生境，丰度为278.3和263.7（图2a和b）。在这两类采样点上，稻田生境的产甲烷菌的总体种群比红树林更高。在稻田土壤中，两类采样点的优势属都是甲烷八叠球菌属。然而在红树林的两类采样点，产甲烷菌的优势属分别是嗜甲基甲烷拟球菌属和产甲烷球菌属。

图2.红树林和毗连的稻田生态系统在印度申达本（a）Sadhupur和（b）Dayapur的甲烷氧化菌多样性的reads丰度。

3.2氨氧化菌，硝化细菌和反硝化细菌

在这两个采样点的红树林-稻田系统中，氨氧化菌（AMO）、硝化细菌和反硝化细菌的数量存在显著差异。在这两个地点，稻田生境中氨氧化细菌和硝化细菌种群数量比红树林生境更高（图3a和b）。芽孢杆菌和假单胞菌分别是稻田和红树林生态系统的优势属。然而，在两种生态系统所有的硝化细菌中，消化螺菌属是丰度最高的属。在Sadhupur和Dayapur，稻田（6196和5076）生态系统相比于红树林（266和271），反硝化细菌种群更高（图3c）。在稻田生态系统，芽孢杆菌是反硝化菌的优势属，而假单胞菌是退化的红树林沉积物中的优势属。

图3.在Sadhupur和Dayapur采样点稻田和红树林生态系统（a）氨氧化细菌，（b）硝化细菌和（c）反硝化细菌的reads丰度。

3.3硫酸盐还原菌群落

与稻田根际土壤相比，红树林沉积物中硫酸盐还原细菌（SRB）群落具有更高的多样性。在稻田生态系统中，只发现了两个属，Sulfuricurvum和脱硫球菌属。Sulfuricurvum为优势菌株，在Sadhupur和Dayapur的reads丰度分别为53.3和82.4（图4a）。然而，在红树林中，总共发现了16种不同的属（在Sadhupur andDayapur的reads丰度为1326和1123），脱硫叠球菌属，Sulfurimonas和脱硫叶菌属是优势种（图4b）。

图4.在Sadhupur和Dayapur采样点（a）稻田和（b）红树林生态系统硫酸盐还原细菌的reads丰度。

3.4不同细菌和古生菌群落的比值

红树林生境的甲烷氧化菌和产甲烷菌的比值高于稻田生境。在所有采样点，红树林生境（11.2）甲烷氧化菌和产甲烷菌的平均比值要高于稻田生境（8.1）（图5a）。同样，在红树林生境（93.1）SRB和产甲烷菌的比值也显著高于稻田生境（1.3）（图5b）。此外，在Sadhupur和Dayapur，红树林生境（2.7和2.4）硝化细菌和反硝化细菌的比值高于稻田生境（1.17和1.16）（图5c）。

图5.在Sadhupur和Dayapur采样点红树林和稻田土壤中不同细菌群落的比值：（a）甲烷氧化菌：产甲烷菌，（b）硫酸盐还原菌：产甲烷菌，（c）硝化细菌：反硝化细菌。在p≤0.05时，红树林和水稻生态系统的条形图在相同的小写字母后没有显著差异。

3.5 Shannon–Weaver 指数

稻田生境中产甲烷菌和甲烷氧化菌的 Shannon–Weaver 指数比红树林生境更高。同样地，稻田生境中氨氧化细菌（AMO）、硝化细菌和反硝化细菌的Shannon–Weaver指数也比红树林高。然而，红树林生境中SRB多样性指数比毗连的稻田生境高。总的来说，Sadhupur采样点所有细菌群落的Shannon–Weaver指数比Dayapur高。

4.温室气体通量

我们测定了红树林和稻田生境下的CH₄和N₂O通量。在冬季两个不同采样点，稻田生境（0.22和0.30 mg m^-2h^-1）的CH₄通量高于红树林生境（0.04和0.03 mg m^-2h^-1）（图6a）。N₂O排放也观察到类似的趋势。在退化的红树林中， N₂O 通量也是负的，-38.19和-67.41 μg m^-2h^-1 （图6b）。两个采样点稻田生境（44.74 μg m^-2h^-1）的N₂O平均通量均高于退化的红树林数据（-52.80μg m^-2 h^-1）。

图6.在印度申达本Sadhupur和Dayapur采样点红树林和稻田生态系统的CH₄和N₂O测量通量。

5.土壤活性碳库和酶活性

我们对在红树林-稻田系统下两类采样点的土壤活性碳库（KMnO₄-C、RMC和MBC）进行了估算。这三个活性碳成分在红树林沉积物中的含量比稻田土壤中的含量更高。考虑所有生态系统，红树林生境（313.7、1015.4和1200.3 μgC g^-1）的RMC、MBC和KMnO₄-C均高于稻田（174.9、597.7和1056.7μgCg^-1），但稻田生境的土壤酶活性比红树林更高。稻田生境（138.2μg TPF g⁻¹ day ⁻¹ , 10.3 μg fluoresce g ⁻¹ h ⁻¹ and 25.6 μg PNG g ⁻¹ h⁻¹）平均DHA, FDA和β-GLU活性都高于退化的红树林（（99.8 μg TPF g⁻¹ day ⁻¹ , 8.8 μg fluoresce g ⁻¹ h ⁻¹和18 μg PNG g ⁻¹h⁻¹）生境。

6.累积温室气体排放量、全球变暖潜力（GWP）和活性碳积累

红树林（26.3%和71.4%）生境的累积 CH₄ 和N₂O排放量比毗连的稻田生境少。因此，红树林生境的GWP值（Sadhupur和Dayapur采样点分别为24.7和433.1 kg ha⁻¹）比稻田生境更低。然而，红树林生境的活性碳积累比稻田生境高38.3%。

表2. 在红树林和毗连的水稻系统下，CH₄和N₂O的累积排放量、全球变暖潜能值和活性碳的累积量。

讨论

细菌和古细菌的群落结构主要受微生物应对如土壤类型、有氧/缺氧条件、盐度、营养状况和植物群落类型等环境因素的能力控制。在我们的研究中，退化的红树林和稻田这两种系统在土壤盐度、养分有效性、潮汐入侵和好氧/厌氧条件方面存在差异，但他们交相存在形成了一种典型的交错生态。潮汐水入侵导致红树林生境持续的湿/干条件，而稻田是在雨养条件下的滩涂低地生态中种植的。这些条件对细菌群落结构和功能有显著的影响。红树林生境中的优势菌门只有变形菌门（α变形菌门、β变形菌门和γ变形菌门）和绿弯菌门，是由于无氧条件促进了自然中对诸如硫氧化和硫酸盐还原特定微生物组分的选择。

然而，稻田生境中的优势菌门是变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、酸杆菌门和绿弯菌门，这是由于更好的碳基质有效性和相对少的胁迫条件。因此，由于环境压力（盐度、潮汐影响、高pH值等），退化的红树林土壤中的细菌结构多样性相比稻田生境较低。

由于多种微生物活动驱动，红树林和低地稻田生态系统是CH₄和N₂O的重要来源。在退化的红树林和稻田生态系统中，从土壤输送到大气的甲烷通量是由于原位甲烷生成与甲烷消耗的联合效应。在我们的研究中，在退化红树林生境表层CH₄通量是负的，这表明红树林生境也可以作为CH₄的汇。稻田生境相对较高CH₄排放量可能是由于三个具体原因，即（i）相比于红树林生境，稻田根际更大的可矿化碳基质有效性，（ii）相比于红树林生态系统周期性改变的有氧/缺氧条件，稻田生境是更加持久的厌氧条件，（iii）相比于毗连的稻田生境，退化的红树林土壤的高盐度和高硫酸盐浓度抑制了甲烷的产生。稻田生态系统中产甲烷菌的数量高于红树林生态系统，从而导致红树林生态系统产生的甲烷较少。在稻田土壤中，甲烷八叠球菌属为优势属，是唯一能通过三种代谢途径（乙酰分解、甲基营养和氢营养）产生甲烷的产甲烷菌。甲烷八叠球菌属耐受有氧条件，导致稻田生生态系统产生了更多的甲烷。嗜甲基甲烷拟球菌属和产甲烷球菌属是甲基营养型产甲烷菌，它们完全依赖甲基化合物作为营养，是红树林生境的优势属。在我们的研究中，产甲烷菌调控与甲烷排放量和土壤酶活性呈正相关，与硫酸盐还原菌群呈负相关，这是因为在退化红树林生境硫含量较高，它们与硫酸盐还原菌竞争底物（图7）。在红树林生境中，甲烷氧化菌与产甲烷菌的比值、硫酸盐还原菌与产甲烷菌的比值更高，致使红树林土壤向大气的甲烷输送量较少。在稻田生境中，这些比值较低，表明产甲烷菌比甲烷氧化菌/硫酸盐还原菌占优势，这导致了更多的甲烷排放量。硫酸盐还原细菌群落是红树林生境的优势菌群，因为在红树林生态系统，硫酸盐还原菌在有机硫的分解和矿化过程中发挥了重要作用。在我们的研究中，硫酸盐还原菌在红树林生境中的主导地位表明了生物修复的潜力和生态系统对人类影响的恢复力。土壤pH、EC、盐度等理化性质与硫酸盐还原菌呈正相关，而与产甲烷菌呈负相关（图7）。

图7.CH₄和N₂O通量与土壤理化性质、土壤活性碳库、酶活性、相关微生物群落以及甲烷氧化菌与产甲烷菌、硫还原菌与产甲烷菌、硝化细菌与反硝化细菌的比值之间的Pearson相关性矩阵。

反硝化和硝化作用是湿地土壤N₂O排放的重要决定因素。然而，在热带和亚热带红树林生态系统中，土壤反硝化作用被认为是N₂O的主要来源。在我们的研究中，与CH₄通量一样，N₂O通量在稻田生境中也高于退化的红树林生境。在稻田土壤中，施用氮肥可以提高根际土壤中氮基质的有效性，从而引起通量增加。此外，稻田生境中氨氧化细菌、硝化细菌和反硝化细菌数量也高得多。氨氧化细菌与硝化细菌、反硝化细菌之间呈极显著正相关，表明在退化的红树林/稻田生境，硝化和反硝化过程同时发生，从而增加了N₂O通量。我们发现盐度与N₂O排放量、AMO、硝化、反硝化菌群呈显著负相关。红树林生境较高的盐度会降低硝化和反硝化速率，抑制参与这些过程的微生物生长，从而减少N₂O的排放。此外，红树林生境的AMO +硝化细菌和反硝化细菌的比值更高，导致比稻田生境更低的N₂O排放量。虽然红树林生境中硝化细菌与反硝化菌的比值较高，但稻田生境中两种细菌群落均显著多于红树林生境。这导致稻田生境比红树林生境产生更多的硝酸盐，以及更高的N₂O排放量。然而，Chauhan等人（2017）发现红树林沉积物的平均N₂O排放量显著高于稻田土壤。

此外，红树林和稻田系统中细菌群落受土壤活性碳库和酶活性的影响。与稻田系统相比，红树林系统的活性碳库较高。高凋落物沉降率和红树林植物的腐烂条件可能是红树林沉积物中活性碳含量较高的原因。然而，土壤酶活性却呈现相反的趋势。由于高盐度和持续的潮汐侵入，退化红树林生境的酶活性较低。

结论

在退化红树林-稻田的湿地生态中，土壤细菌和古细菌多样性的明显变化与温室气体排放和活性碳库有关。稻田土壤中，我们发现了细菌和古细菌结构上更高的多样性，而退化红树林土壤中优势菌群（主要为变形门和绿弯菌门，γ变形菌纲、δ变形菌纲和α变形菌纲）较少。三个不同的微生物指标，（1）甲烷氧化菌与产甲烷菌的比值，（2）硫酸盐还原菌与产甲烷菌的比值（3）通过宏基因组学研究发现，退化红树林生境中较低的土壤酶活性使退化的红树林生境具有低的全球变暖潜能值和高的土壤活性碳积累潜力，成为一种清洁生产系统。因此，即使已经退化，红树林系统在减缓温室气体排放和气候变化方面仍然发挥着重要作用。因此，与毗连的低地稻田生境相比，红树林生境中的高碳库具有较低的生物多样性（结构和功能上）和温室气体排放量，这使它们成为一种有效减缓气候变化的系统，应该得到认真的保护。通过对整个基因组进行宏基因组分析，来确定红树林-稻田湿地生态系统中碳、氮、硫的关键代谢途径及其与温室气体排放、营养盐动态特征和气候变化的关系是今后的研究方向。