温带湖泊沉积物藻类和陆地碳对甲烷生产率 和甲烷群落结构的影响外文翻译资料

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毕业论文

英文翻译

原文标题 Effects of algal and terrestrial carbon on methane production rates and methanogen community structure in a temperate lake sediment

译文标题 温带湖泊沉积物藻类和陆地碳对甲烷生产率和甲烷群落结构的影响

温带湖泊沉积物藻类和陆地碳对甲烷生产率

和甲烷群落结构的影响

WILLIAM E. WEST, JAMES J. COLOSO AND STUART E. JONES

圣母大学生物科学系，美国

摘要：大气中的CH₄来源主要有自然因素和人类活动。事实上，人类活动也会影响自然环境中CH₄的排放量，比如湖泊。湖泊富营养化和陆地生物CO₂的释放，湖泊流域的不断变化会影响CH₄生产率，同样会影响产烷生物的数量和群体结构。因此，水库和湖泊的输入对于CH₄浓度的影响应该被测量。我们在研究中添加了藻类和独立于湖泊沉积层的陆地生物碳并且测量了CH₄的浓度，我们还利用了大量的聚合酶链式反应和末端限制碎片长度多态性来确定这些增加的碳对CH₄的数量和种群结构的影响。结果表明，甲烷浓度随着藻类数量的增加而显著提高。陆地碳的增加也倾向于使甲烷浓度增加；然而，这种增加是不显著的。其次，我们的化学分析显示，增加的甲烷浓度是由单细胞生物的活动而不是由产烷生物数量或种群结构的变化导致的。活动对水体生态的影响会影响甲烷浓度，因此应该考虑在全球CH₄循环和气候变化中。

关键字：种群，富营养化，温室气体，湖泊，深水层

1引言

甲烷作为一种重要的温室气体在大气中的浓度持续增加。现在大气中的甲烷浓度（1774ppbv）是工业革命前的350-800ppbv（Loulergue等，2008）的两倍多。.淡水生态系统每年可能贡献多达103万吨CH₄，全球CH₄排放量的6%到16%，而这现在并没有包括在全球温室气体预算中（Bastviken等，2004,2011）。为了预测未来大气CH₄浓度的增加，我们必须理解影响淡水水体对CH₄循环促进的因素以及这些因素在未来将会如何变化。

普遍认为湖泊中生长的生物对周边流域的人类活动很敏感。因此，可以预见水生产甲烷生物的数量和甲烷的浓度将会被流域的变化所影响。对于湖泊来说，两个普遍的持续的影响因素是营养程度的变化和有机物质的变化。精确的评估一个水生生态系统中这些重要的因素的变化如何影响湖泊CH₄循环对于全球气候不变化的预测(Roulet amp; Moore, 2006)是一个 重要的组成部分。

湖泊以及接收限制性营养磷的地下和地表径流等水体系统的特点是加速富营养化(Sharpley 等, 1994; Schindler 等, 2008) 随后的沉积和藻类生物的数量的减少创造出了一个适合发酵和氢气和二氧化碳的产生的富营养化的环境。这些有机物的初级形式在没有生物化学的竞争下，可以被产甲烷生物降解为CH₄。(Conrad, 1999) 当人为引起的富营养化可能为产烷生物提供更大的供给基质时，我们发现在增加富营养化条件下的湖泊中甲烷的生产速度增加。

环境变化不仅增加湖泊的营养化浓度，而且导致陆地溶解有机碳在水生生态系统中的增加。欧洲和北美国家认为，淡水生态系统中的溶解有机碳来源于土壤的浸出。(Hejzlar .等2003; Worrall 等, 2004; Monteith等, 2007) 过去的20多年中，高地土壤的溶解有机碳的高排放被认为是由继上世纪90年代化石燃料燃烧和硫的排放政策的变化增加了土壤酸度和离子强度所致。(Monteith 等, 2007) 土壤的pH值升高和低离子强度提高了土壤中的有机酸的溶解度和迁移率，这允许更大的DOC进到到地表水中(Driscoll 等, 2003; Evans 等, 2006). 然而其它研究假定气候变化(Freeman 等, 2001, 2004; Worrall, Burt amp; Shedden, 2003)、氮沉降(Findlay, 2005)和土地利用变化(Garnett, Ineson amp; Stevenson, 2000)都会促进DOC进入湖泊。不管原因，湖泊中的陆地有机碳浓度增加，这些陆地补贴可能是能源的微生物种群的来源，(Bergstrom amp; Jansson, 2000; Kritzberg等, 2004)可能包括甲烷微生物。

在全球湖泊营养状态观察到的趋势表明，许多湖泊朝着更富营养或腐殖酸状态改变(Vollenweider, 1989; Smith, 2003; Monteith 等., 2007). 在这里，我们是否预期这些主要是人类驱动的变化会影响到地表水对全球甲烷循环的贡献。为了评估藻类或陆地碳输入是否能提高甲烷的生产速率，我们进行了碳基板的实验模式处理来代替缺氧湖泊沉积物。针对基板修正案甲烷的任何变化是由湖泊沉积物中产甲烷古菌群落的变化所致。增强的甲烷生成活性可以通过产烷生物群落变化的一个或多个方案来介导：（i）现有产烷生物数量的增加，(ii) 现有产烷生物每个细菌的活性增加，但在数量没有变化，(iii) 产烷生物群落成分的变化组成一套更有效的或活跃的生物有机体。为了评估哪些情况可能伴随着甲烷活动的任何变化影响我们的碳基板供应处理，我们使用定量聚合酶链反应的组合(qPCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP) 来靶向 甲烷的生化途径中的基因。(mcrA)

2 方法

2.1 取样地点

Diamond湖是一个贫营养湖泊，(DOC = 5.3 mg L^-1, TP = 23.7 lgL ^-1 and pH = 8.6)位于美国密歇根州西南部。2010年9月29日，我们收集9个重复完整的沉积岩心，包括用 Kajak–Brinkhurst 取样器在湖的最深点取得上覆水体(Wildlife Supply Co., Yulee, FL, U.S.A.)，并将它们带回到实验室。在收集样品前，我们测量了水体温度、溶氧度和CH₄浓度。

2.2 岩芯修订，孵育和CH₄测量

所有沉积物芯含有约200毫升水，600毫升沉淀和100毫升用N2净化的顶空。九个芯均匀地分成两个处理（藻类和地面）和一个操纵装置。我们添加7g.m-2的斜生栅藻 1833 Ku tzing到三个藻类芯。每个陆地芯以7g.m^-2的干燥、磨碎的上枫叶来进行修订；因此收集刚落下的枫叶在60摄氏度进行干燥。干燥以后，使用60尺寸网眼的Thomas Wiley Mini-mill微型磨机(Thomas Scientific, Swedesboro, NJ, U.S.A.)和Wig-L-Bug(Dentsply Rinn Corp., York, PA, U.S.A.)研磨机来研磨叶子成颗粒尺寸。尽管新鲜落叶比大多数陆地碳颗粒到达湖泊沉积物更多，但是我们选择新鲜落叶是因为他们在增加海藻质量方面有更大的可比较。三个控制岩心以类似的方式对藻类和陆地岩芯处理，但没有提供额外的碳源。用橡胶塞密封符合装有阀的采样端口的岩芯在约15℃在黑暗中温育2.5周。大约每4天，从各芯的顶部空间取5毫升样品并用5毫升N 2的置换。每个样品的CH₄浓度是装有火焰电离探测器用安捷伦6890气相色谱仪，使用长度、直径和过滤器尺寸分别为30毫米,0.32毫米和3.0微米的GS碳柱来测量。在2.5周孵化期间CH₄浓度在九个沉积物岩芯中线性增加。甲烷生产率从CH₄浓度随时间变化斜率的线性回归推断得到。

2.3 分子分析

在2.5周孵化后，收集的上覆水和沉积物进行DNA提取。过滤浮游生物，沉淀物根据Mo-Bio DNA土壤势力制造商的协议进行DNA提取。(Mo Bio, Carlsbad, CA, U.S.A.). 提取的DNA作为模板定量PCR（qPCR）靶向甲基戊二酰辅酶还原酶的alpha;亚基（MCRA）。许多先前的研究已经使用MCRA作为遗传标本来确定甲烷数量以及群落组成。(Luton 等, 2002; Earl 等, 2003; Freitag 等, 2010; Milferstadt, Youngblut amp; Whitaker, 2010) 该基因是一个极好的标记物，众所周知，产甲烷菌具有甲基辅酶还原酶，这是负责甲基向CH₄的转化关键。(Grabarse 等, 2001).

MCRA是在一个20-LL的qPCR荧光定量仪(Eppendorf, Hauppauge, NY, U.S.A.)中使用荧光染料作为标记染料来放大的。每个反应包含1 lL of 1 frasl;100稀释的Diamond湖的DNA模板, 1· iQ的荧光染料(Bio-Rad, Hercules, CA, U.S.A.)、0.25毫升的每个靶向MCRA的引物：mcrAqF (5cent;-AYGGTATGGARCAGTACGA-3cent;) and mcrAqR (5cent;-TGVAGRTCGTABCCGWAGAA-3cent;) (W.E. West and S.E. Jones, in prep.)。MCRA的qPCR热循环条件如下：在94℃预变性1分钟，随后94℃40秒变性40个循环， 在54℃退火30秒，72℃延伸30秒，并在85℃荧光灯检测20秒。融化曲线运行,以确保没有非特异性扩增。放大、荧光数据收集和初步数据分析都是由Eppendorf realplex软件运行。(Eppendorf)

环境MCRA克隆(TOPO TA cloning kit; Invitrogen, Grand Island, NY, U.S.A.)被用来构建我们的定量PCR标准曲线。为了获得高浓度包含我们的qPCR目标基因mcrA的一部分，我们放大MCRA基因插入和矢量标记结束使用M13载体引物。每25微升PCR含有1bull;1.5毫米氯化镁PCR缓冲液(Idaho Technology Inc., Salt Lake City, UT, U.S.A.) 1个单位的Taq，1毫升的M13F(5cent;-GTAAAACGACGGCCAG-3cent;)和1毫升的M13R (5cent;-CAGGAAACAGCTATGAC-3cent;)。MCRA的M13 PCR热循环条件如下：在94℃预变性2分钟，随后是94℃35秒变性30次， 在55℃退火45秒，72℃延伸2分钟，接着在72℃最终伸长为2分钟。扩增后，使用PureLink PCR清理试剂盒（Invitrogen）按照制造商的说明书将PCR产物清洗。清洗后，PCR产物使用Invitrogen量子位技术进行量化。

末端限制性片段长度多态性PC，是在一个ep梯度pro realplex周期计中运行的(Eppendorf)，包含了来自从孵育芯的1 lL of 1 frasl;100稀释的DNA样品、1╳1.5毫米氯化镁PCR缓冲液(Idaho Technology Inc.) 0.4毫米的dNTP，1个人单位的Taq、0.2 微米的 mcrA-FAM-labelled (5cent;-GGTGGTGTMGGATTCACACARTAYGCWACAGC-3cent;)和0.2微米的mcrA-R (5cent;-TTCATTGCRTAGTTWGGRTAGTT-3cent;) (Luton 等, 2002)。MCRA PCR热循环条件如下：在94℃预变性3分钟，随后是94℃1分钟变性30次， 在53.5℃退火1.5分钟，72℃延长1.5分钟，接着在72℃最终伸长为10分钟。每个RFLP PCR紧随乙醇清理沉淀。在沉淀清理后，1· Buffer E (Promega, Madison, WI, U.S.A.), 5单位的TaqI限制性内切酶，0.2 lL of 10mg mL^-1 BSA加入到对于25- lL的总体积的消化的净化的FAM-labelled PCR产品中。酶消化在65℃2小时内进行。然后，将每个消化样品用乙醇清理沉淀，University of Notre Dame Genomics Core用ABI 3730XL DNA分析仪进行片段分析。

3 统计分析

单向方差分析用来检验碳补充处理对

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