【摘要】：研究熱泉微生物生態(tài)及其功能,對于揭示地球早期生命及其參與的元素物質(zhì)循環(huán)過程具有重要意義。熱泉微生物的群落結(jié)構(gòu)與其生態(tài)功能息息相關(guān),對熱泉微生物群落結(jié)構(gòu)及其對環(huán)境和空間因子響應的研究有助于我們理解熱泉微生物對極端環(huán)境條件響應機制和深入挖掘熱泉微生物資源。依據(jù)對生物量和多樣性貢獻大小,微生物群落可分為優(yōu)勢(相對豐度1%)和稀有種群(相對豐度0.01%):前者貢獻了主要生物量和較少的微生物多樣性;后者代表了少數(shù)生物量和較多的微生物多樣性,是熱泉微生物種群的重要組成部分,同時在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要功能,也是維持整個生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展的微生物類群。然而前人研究對熱泉微生物種群很少區(qū)分優(yōu)勢種群和稀有種群。因此,關(guān)于熱泉優(yōu)勢和稀有種群微生物構(gòu)成和功能及其對環(huán)境響應知之甚少。此外,由于可溶性Fe(II)和Fe(III)礦物是地熱流體環(huán)境中微生物最重要的電子和能量來源之一,熱泉中具有活躍的鐵循環(huán)過程。然而,有關(guān)地熱環(huán)境中微生物驅(qū)動的鐵氧化或鐵還原過程及其所引起的礦物學變化卻鮮有報道。西藏地熱區(qū)(特別是藏南地區(qū)),是世界上最活躍的地熱區(qū)之一,擁有數(shù)千個出露的熱泉,熱泉水化學參數(shù)特征各異,受人類互動干擾較少,是研究熱泉微生物生態(tài)及功能的理想場所。本研究通過高通量技術(shù)測序(Illumina MiSeq)、地球化學分析和統(tǒng)計學方法相結(jié)合的方法,對采集到的66個西藏熱泉樣品(熱泉間的地理距離0 610 km,溫度32 86~oC,pH 3.0 9.5和鹽度(0.13 1.32 g/L)微生物群落組成、生態(tài)功能(總體、優(yōu)勢、中間和稀有種群),及其與環(huán)境因子和空間因子(地理距離,GD)的響應關(guān)系進行了全面研究。同時,有選擇性地針對部分典型熱泉,對高溫厭氧鐵氧化微生物(硝酸鹽依賴型鐵氧化菌)和嗜熱鐵還原菌(異化鐵還原菌)進行富集、分離、鑒定、鐵還原/氧化動力學研究并對所產(chǎn)生礦物進行系統(tǒng)研究。得出的主要結(jié)論如下:1、西藏熱泉微生物種群和功能構(gòu)成及其對環(huán)境的響應1)優(yōu)勢種群和稀有種群群落結(jié)構(gòu)存在一定差異,但也存在共有種群,預示著在環(huán)境條件改變時,二者可以相互轉(zhuǎn)換。優(yōu)勢種群中占主導地位的種群包括Chloroflexi、Proteobacteria、Deinococcus-Thermus、Aquificae、Bacteroidetes和Firmicutes門。相比較而言,稀有種群中占主導地位的種群主要為新發(fā)現(xiàn)的或有待確定分類地位的一些門,如Dictyoglomi、Hydrogenedentes、Atribacteria、Hadesarchaea、Aminicenantes、Microgenomates、Calescamantes、Omnitrophica、Altiarchaeales和Chlamydiae。這些稀有種群的發(fā)現(xiàn)將會為熱泉微生物生態(tài)學、分類學、基因組學等帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。并且,在優(yōu)勢種群和稀有種群中也存在一些共有的門,如Crenarchaeota、Bathyarchaeota和Chlorobi,可推測在環(huán)境條件改變時,稀有種群可能會轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢種群,并維持整個生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性。2)優(yōu)勢、中間和稀有種群的群落結(jié)構(gòu)對環(huán)境和空間因子(GD)的響應不同。優(yōu)勢種群主要受溫度和TOC的影響,中間種群主要受pH和鹽度影響,而稀有種群主要受DOC和pH的影響,這種優(yōu)勢、中間和稀有種群對環(huán)境因子的響應差異可能由于它們不同的生長速率和活性(本文論中以相對豐度來體現(xiàn))。GD對優(yōu)勢、中間和稀有種群構(gòu)成的影響都有貢獻,但GD對中間和稀有種群構(gòu)成的影響貢獻率遠大于其對優(yōu)勢種群構(gòu)成影響的貢獻,暗示了相對于稀有種群而言,優(yōu)勢種群在不同熱泉間更容易擴散。3)優(yōu)勢和稀有種群生態(tài)功能及對環(huán)境因子的響應均存在差異,預示著二者在熱泉生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)不同的生態(tài)位。生態(tài)功能預測結(jié)果顯示,與C、N、S循環(huán)相關(guān)的微生物功能群在西藏熱泉中廣泛存在,優(yōu)勢(如氨氧化)、中間和稀有種群(如有機質(zhì)降解)分別有獨特的生態(tài)位,且中間和稀有種群在有機質(zhì)降解方面的作用可能大于優(yōu)勢種群的作用。2、西藏熱泉鐵還原/氧化微生物參與的鐵還原過程及其地質(zhì)學意義1)西藏熱泉中硝酸鹽依賴型的鐵氧化菌(Anaerobic nitrate-depending Fe(II)oxidaing microorganism,ANDFOM)主要存在于超高溫熱泉中(80~oC)中(QZM-1,QZM-2,QZM-16),且在系統(tǒng)發(fā)育學上隸屬于細菌域的Betaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Firmicutes門;ANDFO過程中形成的磁鐵礦和菱鐵礦與條狀鐵建造帶(BIFs)中的含鐵礦物成份在形態(tài)(菱形十二面體或正六面體)和晶體大小(1.5 2μm,大于非生物作用產(chǎn)生的晶粒)方面極其相似,鑒于熱泉環(huán)境條件(高溫、缺氧等)相似于前寒武紀BIFs形成時地球環(huán)境特征,可推測嗜熱的厭氧硝酸鹽依賴型鐵氧化菌可能在BIFs形成過程中起了重要作用。2)西藏熱泉中可培養(yǎng)異化鐵還原細菌主要由Thermonicola、Carboxydocella、Carboxydothermus、Desulfotomaculum、Thermodesulfobacterium、Thermanaerothrix、Thermodesulfovibrio、Methyloversatilis、Thermotoga和Peptococcaceae bacterium Ri50等屬構(gòu)成,這與前人通過富集或分離培養(yǎng)獲得的種群構(gòu)成一致,唯有甲基營養(yǎng)型的Methyloversatili屬于首次被發(fā)現(xiàn)具有異化鐵還原功能;不同菌株、電子供體(醋酸、乳酸)、受體(水鐵礦、富鐵蒙脫石)下的鐵還原程度和次生礦物的生成均存在一定差異。以乳酸為電子供體時,純菌株QZM1201(Thermincola carboxydiphila,相似度99.71%)和QZM1202(Carboxydocella thermautotrophica,相似度97.21%)在還原FeOOH時,可產(chǎn)生結(jié)晶態(tài)較好的藍鐵礦;而純菌株QZM1201、QZM1202和QZM2101(Methyloversatilis universalis,相似度100.00%)還原綠脫石可使其伊利石化,其還原程度(18.45-28.5%)與常溫鐵還原菌加入電子穿梭體時的還原程度相當。說明熱泉生境中異化鐵還原菌對粘土礦物的高還原程度取決于熱泉中所特有的微生物類群及水化學條件,同時也暗示了異化鐵還原菌對熱泉沉積環(huán)境中次生礦物的形成具有重要影響。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P314;Q938
【圖文】：

圖 1-2.熱泉微生物多樣性（OTUs）隨溫度和 pH 的變化分布圖（基于克隆文庫和高通量測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果）。注：包括美國的 YNP 熱泉和 GB，中國云南騰沖和西藏，俄羅斯的堪察加半島，巴基斯坦，印度[14,38 ,40, 43, 277, 286, 289-290]Figure 1-2. Variation of 16S rRNA-based microbial diversity （OTUs） in response totemperature and pH in hot springs from YNP （12 samples） and GB（4 samples） of USA,Tengcong and Tibetan Plateau in China （66 samples）, Kamchatka of Russia （13 samples），Pakistan （9 samples）, India （4 samples）. The 16S rRNAsequence data were derived from eitherclone library or high-throughput sequencing.然而，熱泉中微生物群落結(jié)構(gòu)并未表現(xiàn)出與溫度的單一相關(guān)性，這種現(xiàn)象表明其它環(huán)境變量（如 pH、DOC、TOC 含量等水化學條件）和/或空間因子（如地理距離）共同影響著微生物群落的構(gòu)成[54, 55]。有關(guān)云南騰沖熱海熱泉中微生物群落組成的研究發(fā)現(xiàn)，溫度、pH、硫化物含量以及沉積物礦物學特征均會影響熱泉環(huán)境中的群落組成（Hou et al., 2013）。例如，在酸性高溫熱泉中（pH：2.5 2.6，85.1 89.1°C）或硫化物含量較高時，Crenarchaeota中的Sulfolobales綱為優(yōu)勢種群；

圖 1-3 微生物驅(qū)動的鐵循環(huán)（據(jù)文獻 Weber 等., 2006 改繪）。（Fe(II)aq：可溶性 Fe(II)，F(xiàn)e(II)S：固態(tài) Fe(II)）。Figure 1-3 The microbially mediated iron redox cycle.1.4.2.1 熱泉鐵氧化菌研究進展鐵氧化菌（Fe(II)-oxidizing microorganism，F(xiàn)OM ）是指可以在好氧或厭氧條件下，以 Fe(II)為電子受體來獲取能量的微生物，主要有四種類型： 1）中性好氧鐵氧化菌（Aerobic neutrophilic FOM）；2）嗜酸性好氧鐵氧化菌（Aerobic acidophilicFOM）; 3） 厭氧不產(chǎn)氧光合作用鐵氧化菌（Anaerobic anoxygenic photosynthesisFOM）; 4）中性厭氧環(huán)境下的硝酸鹽依賴型鐵氧化菌（Anaerobic nitrate-dependentFOM，ANDFOM）[31]。同樣作為鐵循環(huán)的重要部分，人們對于微生物調(diào)節(jié)的 Fe(II)鐵氧化作用的了解比 Fe(III)還原作用晚了大約 10 年的時間，原因是由于鐵氧化菌的分離和培養(yǎng)相對較為困難[79]，尤其是 ANDFOM 的重要性在近二十年來才逐漸被重視，該類微生物驅(qū)動的鐵氧化過程（即 anaerobic nitrate reduction-dependentFe(II) oxidation，ANDFO：10Fe(II) + 2NO-+ 24HO → 10 Fe（OH）+ 18H+ + N）

圖 1-4 異化鐵還原菌（A、B）和鐵氧化菌電子（C、D）傳遞方式Mtr：金屬還原，Pcc：細胞色素蛋白， Pio：光合鐵氧化和 Mto：金屬氧化。Mtr 途徑中（A.Shewanella oneidensis MR-1，B. Geobacter sulfurreducens），電子從胞質(zhì)膜上的醌池（QH2）傳遞給細胞色素 A 含鐵蛋白（A.CymA；B. ImcH 和 CbcL），再經(jīng)周質(zhì)空間的功能蛋白（A.FCC3、STC； B.ppcA ）和跨膜蛋白（A.MtrA、MtrB、MtrC），最終將電子傳遞到鑲嵌在細胞外膜上的金屬還原酶 OmcA（A.）或 OmcB、OmcC（B.）等，最終將電子傳遞給 Fe(III)，完成鐵還原過程；Pi（oC. Rhodopseudomonas palustris TIE-1）和 Mto（D. Sideroxydans lithotrophicus ES-1）途徑中，F(xiàn)e(II)通過細胞外摸和周質(zhì)空間上的一系列跨膜蛋白（C. PioB、PioA、RC（光合反應中心）；D. MtoB、MtoA、MtoD 和 CymA ），最終傳遞給胞質(zhì)膜上的醌池（QH2），從而完成電子傳遞過程[97]，完成鐵氧化過程。Figure 1-4 The proposed Mtr (metal-reducing pathways), Pcc(the porin-cytochrome pathways),Pio(phototrophic iron oxidation pathways) and Mto(metal-oxidizing pathway) extracellular electrontransfer pathway.

本文編號：2803348