文摘

甲烷生成可能代表一个关键过程的终端阶段厌氧有机质矿化在沿海泻湖沉积。本工作的目的是研究的时间和空间动态产甲烷古菌在沉积物的热带沿海泻湖和环境变化的关系,以确定这些影响产甲烷的社区。沉积物样品收集在干燥(2月、5月、6月初)和雨季(7月、10月、11月)。微生物分析包括量化可行的产甲烷古菌(MA)和三个基板和动力学的评价活动在硫酸的存在和没有醋酸。评估环境变量是温度、pH值、呃,盐度、硫酸、固体含量、有机碳和碳水化合物。马丰度明显高于在雨季(10⁶-10年⁷细胞/ g)比旱季(10⁴-10年⁶细胞/ g),甲醇作为一种重要的基质。在空间层面,马在两层检测分析,而且没有观察到重要的变化在马丰富或活动。盐度、硫酸、固体、有机碳,嗯是产甲烷社区相关的环境变量。提出了一种概念模型来解释马的动态。

1。介绍

沿海和海洋环境,包括河口和沿海泻湖,特点是大量的有机质,矿化主要集中在沉积物通过厌氧过程,硫酸盐还原的主要代谢途径(1,2]。然而,尽管这些生态系统是典型的硫酸盐还原原核生物的栖息地(SRP),产甲烷古菌(MA)和甲烷生产也被发现(3,4]。

马严格厌氧菌产生甲烷作为新陈代谢的最终产品。这些有机物在缺氧环境中常见的电子受体,如硝酸和硫酸在场或出现在低浓度,通常在淡水环境中占主导地位。在这些电子受体的存在,甲烷生成与无氧呼吸,主要热力学原因(5]。马分布模式及其数量,以及物理、化学、和营养参数控制其丰度和分布研究了湖泊沉积物(6)和沿海环境(7,8]。

大部分的社区生态研究评估产甲烷的结构在河口系统已经在温带温度调节生态系统功能的主要因素之一。这些调查包括评估的马的潮间带湿地的存在互,提供有机碳和有助于创造有氧隐居(9,10]。马丰富与两个或三个量化基质,其中乙酸和氢已报告的两个最重要的(4,11]。此外,它已经建立,在河口,那里存在一个盐度梯度从海洋区河入口,马普遍存在上游淡水地区和减少对咸水和海洋结束;硫酸盐还原已被确定为关键因素与马有关分布(7,10,12,13]。马深度的分布已经观察到,他们丰富的深层沉积物增加列,因为马是依赖于异养生物和发酵过程中有机物质分解,其衰落也有关减少硫酸浓度和氧化还原电位(8]。

与河口、沿海泻湖通常限制通信的海洋和热带泻湖,由于强劲的季节性降水模式,有显著的河道流量的波动,和相关的水文条件(盐度)。这些变化可能会影响微生物群落的结构参与的终端阶段厌氧有机质矿化,以及相关的生物地球化学过程。尽管它的重要性,研究关注于这些生态系统评估厌氧微生物群的动力学,尤其是马,稀缺。据报道,马使用的主要微生物组成主要沿海泻湖相关联的红树林沉积物,密度较高的夏季,premonsoon14,15]。在另一项研究中,在红树林沉积物甲烷生产的峰值已经记录在postmonsoon季节(16]。在墨西哥,沿海泻湖丰富,产甲烷社区几乎没有调查;因此,本研究的目的是探索产甲烷的时空动态社区在热带沿海沉积物从两个系统:Chantuto-Panzacola Carretas-Pereyra,位于墨西哥南部太平洋和马提出一个概念模型在动力学研究沉积物的热带沿海泻湖。

2。材料和方法

2.1。研究网站

Chantuto-Panzacola和Carretas-Pereyra泻湖系统位于恰帕斯州,墨西哥太平洋海岸(图1);他们是国际生物圈保护区的一部分“La Encrucijada”。该地区的气候温暖湿润(28°C)和与丰富的夏季降雨(89%);年降水量1300至3000毫米。5月和6月之间的雨季开始,延续到11月;旱季时从12月到5月17]。泻湖系统特点是高温水柱(29 - 35.5°C),用一个变量盐度范围从0到34.5‰Chantuto-Panzacola Carretas-Pereyra从0到22.7‰,这取决于季节。有一个有限的交流从河流、大海和磷供应支持高叶绿素-一个的水平。系统是红树林和淡水湿地接壤。红树林碎屑导致腐殖质含量高(> 150 mg / L)在雨季18)也记录高铵浓度来源于矿化(19]。

Chantuto-Panzacola泻湖面积18000公顷,由五个湖:Chantuto, Campon, Teculapa,喜瑞,Panzacola。在此系统中,样本收集从喜瑞和Campon泻湖(图1)。喜瑞湖(15°09年54.4′′′N, 92°45 34.0′′′W)平均深度1.1米在旱季和雨季1.3。Cintalapa河流入这个泻湖,贡献66.2米之间的体积³/ s 10月和0.4米³(日期5月/ s比例由国家水资源委员会在墨西哥)。Campon泻湖(15°12′30.0′′N, 92°51 24.2′′′W)的平均深度0.8米0.9米的旱季和雨季。Cacaluta河流入这个泻湖,最高(144.2米10月流入³5月/ s)和最低流入(0.5 m³/ s)。沉积物是淤泥和沙子在泻湖的混合物。Carretas-Pereyra系统占地面积3696公顷,包括四个水体:Pereyra, Carretas,波波,Buenavista、抽样发生在Pereyra波波(图1)。Pereyra泻湖(15°31 26.1′′′N, 92°51 24.2′′′W)平均深度0.7米在旱季和1.0年的雨季。沉积物是silt-sand。玛格丽特河流入Pereyra泻湖(放电容量未知)。波波泻湖(15°29′22.0′′N, 93°08年44.6′′′W)的平均深度0.5米和0.7米的干燥和雨季,分别。它缺乏淡水输入和沉积物是silt-sand。

2.2。样本收集和制备过程

沉积物岩心收集45厘米长,4.5厘米宽有机玻璃取心设备在干燥(2月、5月、6月初)和雨季(7月、10月、11月)。温度,呃,pH值同时测量采样核心时两个沉积物深度(6 - 12厘米)使用标准电极和一个Ionanalizer (Conductronic pH值120)。pH值测量玻璃电极和沉积物氧化还原电位测量使用铂电极和氯化钾饱和甘汞参比电极(Instrulab、墨西哥)。参考的标准潜力(+ 198)添加到平均值获得沉积物介质的呃。电极是经常使用ZoBell标准化领域的解决方案(20.]。随后,样本被送到实验室。

核获得每个采样站被分割在两个部分(0 - 6厘米,6 - 12厘米)在氮气气氛。每个部分均质后塑料袋使用稳定的摇晃,次级样本立即被送到量化马。剩下的沉积物是保持在低温下进行理化分析。

2.3。微生物分析

枚举的可行的马都使用最可能的数量(或然数)方法的10倍稀释系列(10⁻¹到10⁻¹⁰为每个示例使用四个管每稀释)。或然数分析包括量化和基板常用的不同组的马:醋酸,有限公司₂+ H₂和甲醇,基本培养基鲍尔奇et al。21]。盐度的培养基是调整生理盐水(330 g / L)解决方案获得相似的价值观的测量在原始沉积物样品;碳酸氢盐的pH值调整到7.2(10%)的解决方案。文化在32°C孵化了一个月。甲烷检测GOW-MAC系列580 GC与热导检测器(TCD)在下列操作条件:列,探测器,140年和喷油器温度,190,和170°C,分别;25°C /分钟的速度;列挤满了carbosphere 80/100,氦载气在25毫升/分钟;120毫安的极性。

为了确定硫酸盐对马竞争基质的影响,产甲烷活性决定在一个没有硫酸盐的介质(免),用125毫升血瓶,42毫升鲍尔奇et al。21)和乙酸为底物的最终浓度20毫米。实验进行了并行的培养基补充了硫酸(最终浓度20毫米)。瓶注射8毫升的潮湿的沉积物和孵化32°C在黑暗中42天;每周三次孵化项目都摇动了。每个实验由为每个样本重复,包括各自的控制(没有醋酸),有或没有硫酸盐的媒介。矿化百分比是评估通过确定醋酸浓度的变化和甲烷生产瓶子。乙酸分析,1.5毫升样本离心机在1120 gf 10分钟。上层清液过滤。一个950μL整除与50酸化μL盐酸(2.2米)。醋酸浓度是衡量火焰离子化气相色谱法(安捷伦6890系列+)使用安捷伦交联FFAP毛细管柱(15 m×0.530毫米×1.00μ米)。列、注射口和支撑材温度是120,130,和150°C。列的温度、探测器和喷油器是120年,150年和130°C。载气是N₂(4.5毫升/分钟)。

2.4。理化分析

沉积物样品低温离心机在1602点gf (4 - 5°C) 20分钟分离从沉积物孔隙水22]。0.45孔隙水被过滤μ米微孔膜和确定以下参数:盐度、与光学折射仪(美国光学);硫酸(23)和总溶解的碳水化合物,phenol-sulfuric酸技术(24]。总固体量和挥发性固体在潮湿的沉积物(量化25),确定了孔隙度测量干燥沉积物样品的减肥知道体积和重量。有机碳含量测定康克市et al。艾米勒通过方法高德特26在沉积物样本干60°C。

2.5。统计分析

数据矩阵包括马丰度和物理化学变量。满足正常的假设,数据变量的转换(27]。时序分析、变量被分成两个气候季节(干燥多雨);空间分析,深度数据分为两类(0 - 6厘米,6 - 12厘米)。方差分析(方差分析)进行了测试季节每个系统之间的显著差异,一方面,和深度之间的类别。特定的意义差异评估通过Tukey-Kramer多重比较检验(27]。典范对应分析(CCA)被用来研究微生物丰度与环境变量之间的关系(28]。这些分析进行Statistica 10(学术)和MVSP 3.12 b软件。

3所示。结果与讨论

本研究的目的是分析马的丰度的变化和活动,与这些社区特征和一些物理化学变量提出一个概念模型的产甲烷社区动态沿海泻湖沉积。

3.1。环境变量

条件Chantuto-Panzacola和Carretas-Pereyra泻湖沉积栖息地系统因季节性变化之间的干燥和雨季。沉积物中温度较高的旱季和雨季相比(表1);在Chantuto-Panzacola显著(表时间变化2)。在pH值显著差异(表2)。在旱季,更大的海洋影响倾向于中性条件;相比之下,在雨季河流流入海洋的影响减少越高,注册(表和酸性条件1)。的氧化还原条件类似报道从红树林沉积物29日),并显著减少还原在雨季(表1)当淡水流入青睐沉积物悬浮在水里列(浊度= 126 - 224南大),与孔隙度的增加和减少沉积物的条件。在旱季氧化还原电势降低由于泥沙沉积(浊度= 31 - 107南大)。

的主要变化测定盐度和硫酸内容(表1和2)。最大值记录在旱季雨季和最小;10月甚至完全淡水环境中存在两个系统(0‰)。盐度和硫酸盐的减少是由于河流流入和降水的增加。盐度在沿海泻湖根据年度周期不同,这取决于当地的气候,大陆淡水径流,与大海,潮汐的影响。knopper和Kjerfve30.)指出,季节性淡水流入脉冲产生显著影响的生态沿海泻湖,除了控制盐分,提高水位,并持有开放沟通大海。

没有明显的总固体浓度的时间变化观察和有机分数(挥发性固体、有机物质、有机碳,碳水化合物)();通过河流和湿地及其供应是恒定的。淡水流入的高速率与有机残骸从土地和径流以及相邻的红树林是一个关键因素与有机物的贡献在沿海地区31日]。

空间没有物理化学条件沉积模式的栖息地就是明证零意义观察温度、pH值、盐度和硫酸盐()。一个例外是呃,显著降低深度(表1和2)。嗯可能归因于垂直波动减少孔隙水的氧扩散率随着沉积物柱深度的增加(32]。没有明显的变化固体含量和有机分数()(表1)。然而,有机碳含量高的沉积物层12厘米,多斯桑托斯丰塞卡et al。(33)指出,这种行为是源于这一事实最不稳定的基质是容易使用的微生物群落在厘米的沉积物,在深层和耐火分数构建,它会慢慢退化。耐火材料(木材和浮游植物碎片与光学显微镜蔡司Axioscop)主要集中在6 - 12厘米厚层Pereyra和Campon泻湖似乎支持这一假设。

3.2。马的丰度和分布

沉积物中可行的马Chantuto-Panzacola和Carretas-Pereyra系统与或然数进行评估,获得一系列丰富10之间⁴和10⁷细胞/ g。马密度在雨季达到最高水平,与明显降低两个数量级的在旱季()(数据2(一)-2(c))。在雨季,增加淡水输入为马扩散创造了有利条件。马在这个赛季最高水平的记录在Chantuto-Panzacola乙酸和甲醇和甲醇和H₂有限公司₂在Carretas-Pereyra。在旱季,马高水平与甲醇在泻湖系统获得;第二衬底的重要性是H₂有限公司₂和醋酸(表对应的最低水平3)。

马的不断出现的结果可能是他们使用不同的电子给体的能力在一个生态系统不断供应有机物质提供的河流和径流从相邻的红树林。时et al。34]提到,马在沿海泻湖的持续存在是可能的存在“非竞争性”基质,(甲醇和主要),使用专门的马,以及“竞争力”的持续可用性基质(醋酸和氢),利用产烷生物和其他厌氧微生物。

甲醇是一种重要的底物在这两个季节,可能会释放在降解木质素的甲氧基组。Methanol-utilizing马有一个广泛的底物谱,也可以长在醋酸,增长对H₂有限公司₂仅限于一些甲烷八叠球菌属物种(5]。有证据支持的假设cometabolism多面手广泛的底物的微生物可能带来竞争优势35]。Purdy et al。13]提到,在产甲烷社区,通才团体的存在意味着这些是更好地适应河口环境的变化。此外甲醇允许马维持种群在硫酸的存在,这有利于硫酸盐还原行为。其他甲基化合物的关键作用是证明在红树林地区在印度,马在哪里从主要量化14,15]。

在雨季,甲醇仍然重要,但丰富的马从氢和乙酸在低硫酸浓度增加,氢理论上贡献33%,总甲烷生成碳水化合物或类似的有机物降解时,沉积率高的重要环境(≈10厘米/年)和有机碳的补充36]。在沿海泻湖研究,高浓度的有机碳(3.4 - -14.5%)量化,和沉降速度Carretas-Pereyra观察6厘米/年。醋酸能产生大约三分之二的总淡水沉积物中甲烷;然而,其对甲烷形成的贡献减少降低硫酸消耗在其他厌氧过程(4]。甲烷生成硫酸的作用是证明在温带河口,醋酸的贡献这个过程被发现增加淡水区,当硫酸浓度低而硫酸盐还原降低了(7,13]。醋酸和氢也盐沼地区甲烷生成的重要底物(10]。

这项研究显示,acetate-utilizing和hydrogen-utilizing马没有明显的垂直分布格局Chantuto-Panzacola Carretas-Pereyra沉积物,而methanol-based组显然更丰富的层(6 - 12厘米)。马在12厘米的沉积物柱的存在似乎是由于这些微生物的基质的可用性;不同基质的持续供应喜欢马的存在在不同沉积物层也已经证明在滩涂沉积物,沿海湿地和红树林(8,10,14]。

3.3。Acetoclastic代谢活动

在所有动力学实验,有乙酸的浓度的增加在第一天,连同其他挥发性脂肪酸(丙酸和丁酸);这种模式揭示了发酵过程中沉积物的存在。醋酸的持续存在和其他中介机构(丁酸和丙酸)类似于在甲烷生成的其他研究已经评估报告(37]。醋酸是一种重要的中间过程中产生有机物的厌氧矿化,其次是丙酸和其它挥发性脂肪酸(38]。发酵活动是很重要的,因为它会释放出有机基质,如醋酸、马,可以使用的,不能直接使用复杂的有机化合物。后续的生产挥发性脂肪酸,醋酸的消费开始7天sulfate-enriched媒体和媒体在免14天、21天之间。甲烷生产记录21天。

Acetoclastic活动免实验暂时性差异不显著()(数据3(一)-3(c))。硫酸试验显示显著的时间波动,在旱季(表高值3;数据3(一)-3(c))。垂直差异没有达到统计学意义()。

甲烷的形成是在所有的实验中,观察到每个媒介的差异取决于具体情况。乙酸的加入导致甲烷产量的增加与观察到的数量控制(无碳补充)。

甲烷生产高免媒体与sulfate-enriched相比(表3;数据3(b) -3(d))。时间差异()的甲烷生产醋酸的观察在两个系统。雨季的甲烷含量高于旱季(表3)。明显的垂直变化()只在Carretas-Pereyra观察:降低生产上6厘米和较高的甲烷生产层(表6 - 12厘米3,数据3(b) -3(d))。

硫酸的存在在文化媒体产甲烷活性的影响。在免实验的峰值acetoclastic活动观察加上沉积物甲烷产量的上升在雨季和深层,表明甲烷生成是青睐。研究表明,潜在甲烷生成醋酸在缺乏高硫酸盐(37]。相比之下,添加硫酸导致增加acetoclastic活动干几个月,在上层沉积物层,和甲烷产量下降。在印度沿海泻湖和红树林地区的沉积物,增加生产和排放的甲烷决心在淡水地区咸水地区相比。同时,甲烷排放量更高postmonsoon季节,当盐度和硫酸浓度较低(16,34]。

3.4。环境变量和马

环境变量之间的相关系数和任命轴(叠加求交相关)获得的CCA表示每个环境变量的相对重要性分布的产甲烷的社区。Chantuto-Panzacola, MA-environment相关性为0.92与0.60 salinity-sulfate梯度和博士Carretas-Pereyra CCA结果显示相关的pH值0.74和挥发性固体,0.43,挥发性固体。CCA获得的分类图显示,产甲烷的结构的改变社会对某些环境变量(图4)。第一轴Chantuto-Panzacola占总方差的65.62%,对应于一个salinity-sulfate梯度(图4(一))。在图的右边,这些网站最高的硫酸浓度、温度、pH值(旱季)分组,这些条件methanol-utilizing马是丰富的。左边的总固体含量最高的plot-grouped网站hydrogen-utilizing马的繁荣,而马acetate-utilizing富于网站更高的孔隙度和更少的减少条件(图4(一))。Carretas-Pereyra,情节上左,第一轴占29.08%的方差和salinity-sulfate,呃,有机碳浓度都与马hydrogen-utilizing丰富,主要是在雨季。methanol-utilizing MA的丰度与挥发性固体在旱季和马acetate-utilizing繁荣pH梯度在这两个季节。

硫酸的存在大大影响了马在两个系统的丰富。在硫酸盐条件下厌氧过程最青睐的是硫酸盐还原。高浓度的SRP在旱季(10⁸-10年¹⁰细胞/ g),减少在雨季(10⁵-10年⁷细胞/ g)沿海泻湖量化研究支持这一假设[39]。马和硫酸内容之间的关系是一致的知识这些社区在温带河口沉积物,热带沿海泻湖、沿海湿地和红树林(7- - - - - -10,13,14,16]。

温度,pH值,呃,和有机分数被其他变量导致马的存在。在这项研究的细菌生长在一个温度范围26.7 - -29.4°C,产甲烷菌的最适温度发展报道30 -°C在热带湿地,而在红树林沉积物马已经观察到温度范围26至30°C (14,15]。pH值(6.7 - -7.1)条件有利于产甲烷社区。Mohanraju和Natarajan15马]相关的存在与pH值为6.6 - -7.2在红树林沉积物,而在沿海湿地沉积物马被记录在pH值范围6.1 - -7.5的10]。减少(−100 + 100 mV)和高度减少(300−−100 mV)沉积物的特点也导致了马发展,这些已报告水平呃低于150−mV在沿海湿地(40]。

4所示。结论

马是一个常数组件参与厌氧沿海沉积物中有机质的矿化系统Chantuto-Panzacola和Carretas-Pereyra。他们的人口积极利用不同基质的能力,尤其是甲醇。在这些生态系统,降水的变化及其影响河流输入显著影响盐度和硫酸含量,调节的主要因素是产甲烷的时序动态社区。在雨季,增加河流流入淡水泻湖生产条件,低硫酸浓度、沉积物再悬浮,不降低氧化还原电位。环境特征,在这个季节导致马丰度的增加,降低等级由衬底:甲醇> H₂有限公司₂>乙酸(图5(一个))。从乙酸产甲烷活性更高,导致甲烷产量的上升。产甲烷活性高峰在雨季表明,这些生态系统可能是一个大气CH的重要来源₄和有限公司₂在这个季节。在旱季,淡水流入下降和盐度、硫酸,和无机固体含量的增加,以及更多的负面氧化还原条件。在这种条件下观察马低密度(图5 (b)),用以下命令衬底:甲醇乙酸> > H₂有限公司₂。我们的假设是这种机制是循环和控制更改相关河流流入和降水的季节性波动。我们认为这个模型可以应用到其他沿海泻湖和湿地(红树林)在热带纬度,特点是高有机物浓度和永久性河流放电,放电容量显著的季节性变化。这些特点有利于持续存在的马在热带沿海系统和控制时序动态。在河口,没有障碍,限制应用这个模型与海上通信困难,因为潮汐的影响减少淡水输入的影响。在这些系统中影响淡水在空间水平更重要。

利益冲突

这篇论文的作者与微孔没有利益冲突,Statistica 10(学术)和MVSP (3.12 b软件)。作者没有任何与微孔或公司设计Statistica 10(学术)和MVSP (3.12 b软件)。

承认

这项研究是由项目“生态研究河口系统Chantuto-Panzacola和Carretas-Pereyra,恰帕斯”dcb, Metropolitana-Iztapalapa自治大学。