环境科技
Environmental Science and Technology 第32卷 第1期2019年2月Vol.32 No.1Feb.2019
吡咯烷酮羧酸锌湖泊沉积物中微生物与生物地球化学循环 徐 洁1,2， 王 红1,2， 李思言1,2， 阮爱东1,2
（1.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098；
2.河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098）
摘 要： 随着全球气候不断上升，湖泊富营养化状态不断加剧，湖泊沉积物中各种元素的循环过程逐渐受到关注。微生物作为生物地球化学循环的主要执行者，影响着全球气候变化和湖泊生态环境。围绕碳、氮、硫要素，综述了湖泊沉积物中微生物介导的生物地球化学循环过程，包括甲烷代谢、脱氮、产氨、硫酸盐还原等过程。最后总结了当前研究中存在及需要解决的一些问题，并展望湖泊沉积物中微生物参与下的生物地球化学循环的研究方向。关键词： 湖泊沉积物； 微生物； 生物地球化学循环； 全球变暖； 富营养化中图分类号： X7 文献标志码：
A 文章编号：1674-4829(2019)01-0074-05Microbial and Biogeochemical Cycles in Lake Sediments XU Jie 1,2, WANG Hong 1,2, LI Si-yan 1,2 RUAN Ai-dong 1,2
Abstract: As the global climate continues to rise, the eutrophication status of lakes continues to increase, and the cyclical processes of various elements in lake sediments are receiving increasing attention. Microorganisms, as the main executor of the biogeochemical cycle, affect global climate change and lake ecological environment. This paper focuses on the elements of carbon, nitrogen, sulfur, and summarizes the biogeochemical cycle processes with microbial in lake sediments, including processes such as methane metabolism, nitrogen removal, ammonia production, sulfate reduction. Finally, some problems existed and needed to be solved in the current study are summarized, and the research direction of the biogeochemical cycle under the participation of microorganisms in lake sediments will be prospected.
Key words: Lake sediment; Microorganisms; Biogeochemical cycles; Global warming; Eutrophication
0 引言
湖泊生态系统作为水体生态系统的一部分，虽然其面积远小于海洋，但因其位于内陆、与陆地生态系统的物质、能量、信息交换强烈[1]，在全球生物地球化学循环中占重要地位，因此湖泊一直作为生物
地球化学循环研究的重点对象。湖泊沉积物不仅是一个污染源，又是污染汇，在这种特殊的生态环境中集化学物质和微生物于一体。微生物作为泥水间物质循环的主要执行者，通过交互的代谢活动，影响沉
积物中 C，N，S 等元素的物质循环。
湖泊是大气甲烷的重要释放源，据估计全球湖泊甲烷释放量为自然源释放总量的6% ～ 16%[2]。沉积物中甲烷的生成和氧化决定着湖泊甲烷的释放，产甲烷菌和甲烷氧化菌这2类微生物的介导影响着温室气体的排放。反硝化细菌和厌氧硝化细菌参与下的反硝化作用和厌氧氨氧化作用是重要的脱氮过程，湖泊中过量的氮元素可通过该过程去除，另外在一定程度上可以维持湖泊生态系统的稳定，同时也影响着N 2O 等温室气体的产生效率。对沉积物中硫酸盐还原菌的研究对把握湖泊水体污染发生机制，控制水体富营养化具有重要意义。可见，湖泊沉积物中微生物介导的生物地球化学循环，对全球温 (1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources&Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China；
2.College of Hydrology&Water Resources,HoHai University,Nanjing 210098,China)收稿日期：2018-08-21
作者简介： 徐 洁（1994-），女，湖北嘉鱼人，硕士研究生，主要研究方向
为水生态环境保护与修复.
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室气体释放、湖泊富营养化等都具有重要意义。
本文概述了湖泊沉积物中微生物介导的C，N，S 元素循环过程研究的主要成果和进展。总结了当前研究中所存在的问题、展望未来的研究方向。
1 微生物与碳循环
微生物介导碳固定、甲烷代谢和碳降解等过程。尤其是甲烷代谢过程对全球气候的变化具有意义。湖泊中的甲烷主要来源于沉积物，在沉积物-水界面附近甲烷又被氧化成CO2，剩余的甲烷才能到达水中，并最终部分释放到大气。因此甲烷从湖泊释放到大气是产甲烷过程和甲烷氧化过程的最终结果[3]，而甲烷的产生和氧化主要在产甲烷菌和甲烷氧化菌等微生物作用下完成的。
1.1 甲烷产生
产甲烷微生物主要由一些严格厌氧的代谢体-产甲烷菌构成，因此广泛分布于淡水湖泊系统中缺氧的水体和沉积物中。从高原湖泊到平原地区的湖泊，从淡水湖到盐水湖[4]。传统已鉴定的产甲烷古菌包括甲烷杆菌目、甲烷微菌目、甲烷球菌目、甲烷八叠球目、甲烷火菌目和甲烷胞菌目。最近研究揭示了产甲烷古菌新的分支：Methanofastidiosa和 Methnomassiliicoccales[5]。另外，除了隶属于广古菌门的产甲烷古菌能进行甲烷生成，近来在深古菌门中也发现了产甲烷代谢潜力[6]，并且其在湖泊沉积物中占较大比例[7]。意味着参与甲烷生成的微生物不仅仅局限于产甲烷菌，在其他古菌门中也可能具有产甲烷潜力，应发掘更多具有产甲烷潜力的微生物。
对于产甲烷菌代谢途径的研究也有了新的发现，除CO2还原、乙酸发酵和甲醇和甲胺的歧化3种甲烷生成途径外，最近发现了4种产甲烷途径：甲基还原途径。该途径中甲基化合物只作为电子受体，氢气则作为电子供体[8]。此外，新发现的电子驱动产甲烷途径近年来也成为研究热点。该途径主要由一类可以将电子供给产甲烷菌进行直接种间电子转移（DIET）的菌完成[9]，如G.metallireducens与Methanosarcina barkeri将电子供给产甲烷菌，产甲烷就能将二氧化碳还原成甲烷。与其他几种途径相比，电子驱动产甲烷途径更为直接，可以有效地减少产甲烷过程中的能量损失，提高甲烷产生效率。但目前并未有相关研究对电子传递途径的甲烷生成效率与其他几种途径进行定量的比较。
许多环境因素直接影响产甲烷菌，或通过构建含有产甲烷底物供应及其竞争的周围微生物落间接影响甲烷生成。氧气、底物竞争、有机质含量和温度等都会影响甲烷产生[10]。但除了这些因素，近年
来发现沉积物深度与甲烷生成也存在一定的关系。LIU等[11]研究青藏高原湖泊沉积物深度对甲烷代谢途径的影响，表明随沉积物深度的增加，氢营养型甲烷生成的比列也相应地增加，可能是因为深层沉积物不完全降解，有机物质只是部分被氧化而形成H2而没有形成乙酸盐。因此，研究环境因子对产甲烷菌的影响，除了关注常规理化性质指标，还应关注一些非理化性质。
1.2 甲烷氧化
湖泊甲烷氧化对于减少湖泊甲烷排放具有重要意义，极大降低湖泊生态系统温室效应的贡献率。沉积物中甲烷氧化一般由甲烷氧化菌来完成，包括好氧甲烷氧化和厌氧甲烷氧化。在湖泊沉积物中，由于氧气的缺乏，在缺氧带中积累的甲烷，通过气泡或植物介导的通量被输送到大气中，好氧甲烷氧化无法进行。因此，减少缺氧区的甲烷浓度，通过厌氧甲烷氧化过程可能在控制淡水湖泊的甲烷排放方面发挥重要作用。近年来，对于湖泊沉积物中厌氧甲烷氧化微生物也有了新的发现。
由于缺少氧作为电子受体，厌氧甲烷氧化通常伴随着一些电子受体的还原，如硝酸盐、硫酸盐、Mn4+和Fe3+等。在淡水湖泊环境[12]中已发现了硝酸盐介导的厌氧甲烷氧化，硫酸盐还原依赖型甲烷氧化和铁/锰依赖型甲烷氧化。但最近一项在硝酸盐含量较高的湖泊沉积物研究中发现，当厌氧甲烷氧化古菌丰度低而反硝化甲烷氧化菌的丰度高时，仍存在甲烷氧化过程。表明存在着一种不需要厌氧甲烷氧化古菌而能独立完成甲烷氧化与反硝化的微生物。通过单细胞基因测序，确定这类细菌归属于NC
10门[13]。此外，最近发现了缺氧区出现好氧性甲烷氧化细菌（MOB）[14]，主要是那些属于Gammaproteobacterial MOB，表明一些来自湖泊沉积物的Gammaproteobacterial MOB在缺氧条件下是活跃的。这些发现挑战了有机体的“严格”有氧特性的长期教条，今后对于湖泊沉积物这种缺氧条件下升降柱cncame
徐 洁等 湖泊沉积物中微生物与生物地球化学循环
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的甲烷氧化，除关注厌氧甲烷氧化菌外，对好氧甲烷氧化菌的作用也不容忽视。
2 微生物与氮循环
湖泊氮循环在维持湖泊生态平衡中发挥重要作用，微生物是氮循环的主要驱动力[15]。湖泊生态系统中微生物参与下的氮循环对人类生产生活影响较大，包括水体富营养化以及温室气体排放等。近年来，随着对厌氨氧化古菌、氧氨氧化菌以及硝酸盐异化还原过程的研究，对氮循环及其微生物作用也有了新的认识。
立磨衬板
2.1 硝化作用
湖泊中有氧层沉积物的硝化作用最重要且最剧烈，因为在沉积物上表层存在着较多的硝化细菌。氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）等功能微生物介导氨氧化过程，在氨氮转化过程中是主要驱动者，同时也是反硝化过程底物NO3—N的生产者。亚硝酸盐氧化菌（NOB）介导亚硝酸盐氧化。
传统观点认为硝化作用 (NH3→NO2-→NO3-)主要是在AOB和NOB参与下进行的。随后一些中温古菌被发现具有好氧氨氧化的潜力，这极大地推翻了对微生物硝化作用的认识。长期以来认为AOB 是催化氨氧化最主要的贡献者，直到有研究发现AOA在土壤，湖泊/海洋沉积物等环境中是丰富的。对太湖沉积物氨氧化微生物的研究发现氨氧化古菌的相对丰度大于氨氧化细菌，表明AOA发挥重要作用[16]。此外，氨氧化古菌除了参与硝化过程外，近年的研究表明AOA可能还参与了反硝化过程[17]，这一发现对AOA的研究有了新的突破。氨氧化古菌不仅是硝化过程的主要微生物，其参与的反硝化作用在N2O排放中也发挥着重要作用。因此，了解AOA 多样性及其对反硝化贡献的研究显得尤为重要。
2.2 反硝化作用与厌氧氨氧化
反硝化作用和厌氧氨氧化作用是两个主要的脱氮过程，不仅决定了湖泊等水生态环境中过量氮的释放，也影响着大气中N2O等温室气体的排放，这两个过程分别由反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌所驱动。
反硝化作用是将NO3-和NO2-还原为N2O或N2的过程，在湖泊生态系统中，反硝化过程已被确认为是
主要的脱氮过程。然而反硝化过程由于过程及参与其过程的微生物复杂、且单一微生物的存在并不能完整的完成反硝化过程[18]，因此对于微生物参与下的反硝化过程的研究较为困难。反硝化过程是由相应微生物所编码的多种酶催化完成，包括narG/ nap A；nir K/nir S；nor B；nos Z功能基因所编码的还原酶[19]。目前对反硝化过程的研究大多基于这些功能基因，例如JIANG等[20]基于nirK和nirS亚硝酸还原酶基因对长江湖泊沉积物落组成、多样性和丰度进行分析研究。然而，真菌也能参与反硝化过程，但目前对真菌反硝化过程相关功能基因的研究较少。因此，为揭示真菌在温室气体排放中所起的作用，仍需展开进一步的研究。
厌氧氨氧化作用是在厌氧条件下，厌氧氨氧化细菌（Anammox）以NH4+作为电子供体直接将NO2- 反硝化成N2的过程。厌氧氨氧化最早是在污水处理厂的生物反应器中发现的，此前很长一段时间里一直认为反硝化作用是水生态系统里氮气产生和沉积物中氮素去除的唯一方式。目前，Anammox细菌已经在许多天然缺氧环境中被发现，在太湖沉积物中也发现了厌氧氨氧化细菌[21]。湖泊生态系统中Anammox 的功能特点也越来越受到重视，但其对氮素去除的贡献大小仍有争议。据报道Anammox活性在富营养化湖泊中占N2产量的40%[22]，厌氧氨氧化细菌的活性似乎对湖泊水生系统的脱氮具有重要意义。而在另外一项研究[23]中表明，厌氧氨氧化在湖泊生态系统中的脱氮作用相对较小。因此，厌氧氨氧化脱氮作用对湖泊沉积物中氮素去除的贡献有待进一步研究。
2.3 氨化作用与硝酸盐异化还原为铵
氨化作用是一种重要的产氨过程，将有机氮转化为铵态氮。沉积物是水体氮素的主要归宿和来源，为保持水-沉积物界面氨氮均衡，沉积物作为主要的氮素内源可能会向水体中释放出氨氮，进而影响水质。目前针对氨化微生物的研究大多集中在分离鉴定、特性及氨化细菌数量测定等研究上，也有通过磷脂脂肪酸、变性梯度凝胶电泳等技术进行氨化微生物多样性的研究。但这些方法受精度、深度的限制，不能全面反映微生物多样性分布。随着高通量测序技术的出现，使得对微生物的落多样性及结构变化有了全面地研究。另外，氨化过程最终由功能基因控制，包括相关胞外酶基因和胞内酶基因等[24]。目前关于氨化微生物相关功能基因的研
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究表明，已到部分蛋白酶基因，包括细菌的碱性金属肽酶apr、中性金属肽酶npr、丝氨酸肽酶等[25]。但仍需进一步寻胞内胞外相关产氨酶的控制基因，从基因组学角度来研究氨化微生物。
硝酸盐异化还原为氨（DNRA）是在兼气或低氧条件下，NO3-以H2S，S2–等作为电子供体，被还原为NH4+的过程。有机物质相对富裕、电子受体相对贫乏时，有利于DNRA，所以在有机质丰富的湖泊沉积物中易发生DNRA。在DNRA的认识上，长期以来将DNRA视为一种典型的厌氧过程，但随后的研究[26]证实在好氧条件下也能将硝酸盐和亚硝酸盐还原为铵。此外，DNRA和反硝化过程均是以NO3-作为底物，两者存在底物竞争的关系，目前其作用关系也成为研究热点[27]。反硝化作用是将氮素转
化为氮气从水生态系统中永久性的去除，而DNRA中转化的氮素仍然是以NH4+的形式存留在水生态系统中。DNRA作用的存在将不利于水生态系统的脱氮。有报道表明[28]，亚硝酸盐的积累主要是由湖泊沉积物中厌氧DNRA细菌引起的。所以厌氧DNRA 细菌的存在对湖泊生态系统是非常不利的，需进一步关注湖泊生态系统中厌氧DNRA细菌的作用。
3 微生物与硫循环
由于溶解氧只能存在于湖泊沉积物顶部几厘米处，甚至一些湖泊一年中大部分时间其底部都是处于厌氧状态，所以硫酸盐还原过程是湖泊沉积物中硫的微生物地球化学循环的主要过程，其驱动的硫酸盐还原反应是湖泊环境中SO42-的主要去除机制。湖泊沉积物是水体硫酸盐等环境物质沉降的重要宿体，硫酸盐还原以及硫离子的氧化均会影响湖泊的缓冲能力。此外，由于硫酸盐还原菌影响着湖泊沉积物的甲烷代谢，近年来的研究主要关注微生物参与下的硫循环与碳循环之间耦合的联动机制。硫酸盐等氧化剂的存在对甲烷生成有抑制作用，同时还能作为甲烷氧化过程当中的电子受体。一方面，产甲烷菌与硫酸盐还原菌之间对底物存在着竞争关系。另一方面，硫酸盐还原过程和甲烷氧化是互养的新陈代谢，甲烷氧化古菌通过菌毛载体转移胞外电子转移细胞素C蛋白至硫酸还原菌，甲烷被氧化成CO2，SO42-还原成S2-。采用14C同位素标记，在沉积物中发现了能与硫酸盐还原菌共生的Ⅰ型甲烷氧化菌。有学者[29]采用基因测序分析的方法证实了Ⅰ型、Ⅱ型甲烷氧化菌和硫酸盐还原菌共同作用对甲烷进行氧化。对于湖泊沉积物中微生物参与下的硫循环，除了与碳循环联系外，还应探究硫与氮
、磷、铁等元素循环的耦合联动机制。
4 结论
（1）利用高通量测序、宏基因组、蛋白组学、单细胞基因组等新的技术手段，开展湖泊沉积物中涉及的功能微生物研究，对于新物种及代谢途径的发现将具有重要意义。
（2）需要深入探讨氨氧化微生物AOA，AOB和NOB在湖泊沉积物中的合作、竞争关系及其对硝化速率的影响。氨氧化过程和厌氧氨氧化过程对氨氮转化的贡献率也是湖泊沉积物氮循环需要关注的重点。反硝化作用和厌氧氨氧化作用是两种重要的脱氮过程，有待进一步定量化湖泊沉积物中哪种微生物菌脱氮占主导。
（3）微生物介导的元素循环并不是孤立的，而是相互联系的。研究各元素之间的耦合效应及微生物的联动机制，才能更好地揭示湖泊生态系统中微生物参与下的生物地球化学循环。
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