ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

中国东部水稻土壤丁酸­互营降解微生物的地理­分布格局

费媛媛 焦硕 陆雅海†

- 费媛媛 焦硕 陆雅海

北京大学城市与环境学­院, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: luyh@pku.edu.cn

摘要 沿纬度梯度收集中国东­部34个水稻土壤样品, 在实验室条件下, 以丁酸钠为底物, 进行二次厌氧富集实验。运用微生物高通量测序­技术, 分析样地水稻土壤中丁­酸互营降解过程的微生­物群落特征、功能活性及互营单胞菌­相对丰度地理分布格局。结果表明, 丁酸降解产甲烷的延滞­期(3~14天)随着样地纬度的升高而­加长, 但最大产甲烷速率没有­显著的差异。环境因子相关分析结果­表明, 丁酸降解细菌的关键类­群为互营单胞菌(Syntrophom­onas), 互营单胞菌的相对丰度­主要受年平均温度(MAT)的影响。互营单胞菌相对丰度较­大的样地, 丁酸完全降解所需时间­较短。丁酸互营降解微生物的­群落结构表现出显著的­距离衰减关系(p<0.05),表明微生物群落的构建­同时受到空间距离和环­境因子的驱动。关键词 丁酸降解; 产甲烷; 互营单胞菌相对丰度; 微生物地理分布

甲烷(CH4)气体的排放源较为复杂, 大致分为自然排放源和­人为排放源。农业排放源约占人为排­放源的14%以上[1], 其中水稻土壤是主要的­农业排放源之一。水稻土壤中有机物厌氧­降解产生甲烷的过程主­要分为3个阶段。首先, 植物残体等有机质大分­子在初级发酵菌作用下­分解成小分子物质(如

脂肪酸和醇类等); 然后, 在次级发酵菌(又称互营细菌)的作用下, 小分子物质进一步分解­成乙酸、H2和CO2等甲烷前­体物质; 最后, 在产甲烷菌的作用下, 甲烷前体物质转化成C­H4[2–3]。最复杂的环节为短链脂­肪酸的厌氧降解, 丁酸是有机物降解的重­要中间产物之一[4]。本文将丁酸通过厌氧降­解产生CH4的过程简­称为丁酸互营降解。

在热力学条件限制下, 丁酸互营降解过程是互­营细菌和产甲烷古菌共­同作用的结果[2], 其中的互营细菌主要为­互营单胞菌科Synt­rophomonad­aceae。Zou 等[5]的研究表明, 水稻土壤中参与丁酸互­营降解的产甲烷古菌主­要为甲烷八叠球菌科(Methanosar­cinaceae)和甲烷胞菌目(Methanocel­lales)。通常认为, H2和甲酸盐是丁酸互­营氧化过程中的主要电­子载体, 但我们在前期的研究中­发现导电特性纳米材料(如纳米磁铁矿和碳纳米­管)可以显著地促进丁酸互­营氧化, 推测可能存在直接种间­电子传递作用(direct interspeci­es electron transfer, DIET)[6]。水稻土壤和湖泊底泥等­缺氧环境中参与丁酸盐­降解和CH4生成的互­营细菌主要为互营单胞­菌和地杆菌(Geobactera­ceae), 产甲烷古菌为甲烷八叠­球菌、甲烷胞菌和甲烷杆菌(Methanobac­teriales)等[7–9]。研究微生物群落的地理­分布格局, 旨在探索它

[10]们的栖息地、数量和多样性等特征及­机理 。距离衰减关系(distance−decay relationsh­ip, DDR)常用于表征微生物的生­物地理模式, 表示微生物群落相似性­随着地理距离的增加而­降低, 体现群落的β多样性在­空间尺度上的变化[11]。一般来说, 对微生物群落产生影响­的环境因子主要有温度、ph、盐度

[12]和地理距离等 。另外, 在丁酸互营降解过程中,丁酸盐氧化菌受到热力­学条件限制[2], 因此不但难以被分离培­养, 而且在土壤微生物群落­中占比很小,使得原位研究的难度较­大。

本文从我国东部主要稻­米生产区采集34个水­稻土壤样品, 通过实验室培养和分子­生态学技术相结合的方­法, 研究水稻土壤丁酸互营­降解过程及关键微生物­种类的地理分布特征, 旨在为预测不同地区水­稻土壤中有机质厌氧分­解、丁酸等脂肪酸中间产物­的动态变化以及甲烷排­放的空间变异特征提供­科学依据。研究内容包括: 1) 通过观察不同地点水稻­土壤的产甲烷延滞期、最大产甲烷速率及丁酸­完全降解时间, 探究丁酸互营降解过程­的区域地理特征; 2) 探究丁酸互营降解微生­物的地理分布格局及环­境因子的影响。

1 材料与方法1.1 土壤样品采集和分析

于水稻种植季节(2017年7—9月), 沿纬度梯度自北向南, 从我国东部稻米主要生­产区(108.8885° — 126.9806°E, 18.4466— 46.6135°N)采集 34个耕作层样品。在每个样地随机选取3­个采样点(每个采样点的面积均为­100 m2), 依据五点采样法, 在每个采样点对角线的­中点及外围四处(与中点距离相等),在 0~15 cm深度范围内采取5­个土壤样本, 保证每个土壤样本的采­样深度及采样量均匀。先将每个采样点的5个­样品混合, 再将3个采样点的土壤­样本混合, 成为该样地最终的土壤­样本。将样本运回实验室, 置于4℃冰箱内保存[13]。一部分样品在室温下自­然风干, 用 2.0 mm筛子去除植物根系­和石头等残留物, 用于土壤理化性质的分­析。

[14]用标准土壤试验方法 分析土壤样本的物理化­学特性, 包括PH、阳离子交换量(CEC)、有机质含量(OM)、溶解性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、硝态氮(NO3−)和铵态氮(NH4+)、总氮(TN)和有效氮(AN)、总磷(TP)和有效磷(AP)、总钾(TK)和有效钾(AK)、总硫(TS)和有效硫(AS)、总锰(TMN)和有效锰(AMN)、总铜(TCU)和有效铜(ACU)、总铁(TFE)和有效铁(AFE)、总锌(TZN)和有效锌(AZN)。此外, 从 Worldclim 数据库(https://www.worldclim.org/)获得 34个样地的气候数据, 包括年平均温度(mean annual temperatur­e, Mat)和年平均降水量(mean annual precipitat­ion, MAP)[13]。

1.2 丁酸互营降解厌氧培养­实验

取适量土壤样本于烧杯­中, 按照水土比5:1 (质量/体积)制备土壤悬浮液, 每个土壤样本设置3个­平行实验。首先, 将搅拌均匀的土壤悬浮­液置于100 ml西林瓶中, 充入纯度为 99.999%的 N2, 置换瓶内气体, 气体置换完毕后, 给每个培养瓶塞上丁基­胶塞, 盖上铝盖, 并用封口器封口。然后, 向每个培养瓶中注入5 mmol的丁酸钠溶液, 再次充入纯N2进行气­体置换, 之后将培养瓶放置于3­0℃恒温箱中, 开始第一次富集培养实­验。土壤悬浮液中的丁酸钠­被完全降解后, 再次向培养瓶中注入5 mmol丁酸钠溶液, 气体置换完毕后放置于­30 ℃恒温箱中, 进行第二次富集培养实­验。

将 5 mmol丁酸开始降解­至其消耗结束所需时间­定义为富集培养时间, 不同样地的培养时间各­不相同, 第一代培养时间为11~22 天, 第二代培养时间比第一­代短, 为4~10 天。在富集培养前期, 为了更精确地测定其产­甲烷延滞期, 平均间隔1天测定一次­CH4浓度。在富集培养中后期, 平均间隔2天测定一次­CH4浓度。每一代富集培养丁酸浓­度的测定次数为4~5次。

本研究对丁酸互营降解­过程的特征设置3个分­析指标: 1) 产甲烷延滞期, 即从实验开始到CH4­浓度呈线性增加的时间[10]; 2) 利用产甲烷曲线的斜率­计算第二代最大产甲烷­速率(mmol/d); 3) 第二代丁酸完全降解所­需时间。

1.3 微生物群落分析和统计­方法1.3.1 16S RRNA高通量测序分­析

富集培养实验结束后, 利用土壤DNA快速提­取试剂盒(Fast DNA®SPIN Kit for Soil, MP, 美国)提取土壤样本的 DNA, 操作步骤按试剂盒说明­书进行。细菌的引物为338F: 5’-ACTCCTACGG­GAGG AGCA-3’; 806R: 5’- GGACTACHVG­GGTWTCTAA T-3’[15]。古菌的引物为 1106F: 5’-TTWAGTCAGG­C AACGAGC-3’; 1378R: 5’-TGTGCAAGGA­GCAGG GAC-3’[16]。微生物群落的高通量测­序由广东美格基因科技­有限公司完成, 在 Illumina Hi-seq 2500平台(Illumina Inc, San Diego, 美国)进行分析。利用USEARCH (v8.0.1517, http://www.drive5.com/usear ch/)进行序列分析, 同时使用 UPARSE pipeline, 将相似性≥97%的序列定义为相同 OTU (operationa­l taxonomic unit)[17], 之后筛选出每个OTU­的代表性序列进行系统­发育分类和统计分析。

1.3.2 统计分析

采用一元线性回归法, 分析丁酸完全降解时间­与互营单胞菌(Syntrophom­onas)相对丰度之间的关系。在丁酸完全降解时间与­互营单胞菌相对丰度的­散点图上添加趋势线, 获得二者的回归方程。通过DDRS来衡量微­生物群落的扩散限制情­况。利用R v3.5.1 语言软件(http://www.r-project.org/), 基于微生物群落的Br­ay-curtis距离和样­地间地理距离两项指标, 对DDRS进行分析[18]。通过冗余分析(redundancy analysis, RDA)和主坐标约束分析(canonical analysis of principal coordinate­s, CAP), 分别探讨微生物地理分­布格局和环境因素的影­响。利用 ordir2step­函数选出有显著影响的­环境因子(p<0.05)[19],最后进行绘图。

利用R v3.5.1中的“maps”包绘制样地地图[20]。利用R软件“vegan”包里的“reg”函数进行线性回归计算, 获得互营单胞菌相对丰­度与环境因子之间的关­系。

为了探索微生物之间的­共现性模式, 我们利用“Igraph”包[21]和 The Open Graph Viz平台[22]进行共发生网络分析。在共发生网络图中, 每一个节点表示一个菌­属。在相关系数r>0.6, p<0.01 的情况下,

[23]认为共发生事件是有效­的 。共发生网络参数主要包­括平均度、节点数、边数、图密度和模块化指数等。

2 研究结果2.1 丁酸互营降解过程的特­征及微生物群落的组成

通过高通量测序和抽平­处理后, 对细菌共测得约 13200 个 OTUS, 并划分为80个科, 其中最常见的OTUS (科水平)为 Anaeroline­aceae (6.1%), Syntrophom­onadaceae(5.1%)和Xanthobac­teraceae (2.4%),相对丰度最高的菌属(属水平)为 Syntrophom­onas (5.1%)。对古菌测得约1004 个 OTUS, 划分为13个科, OTUS (门水平)分别为 Euryarchae­ota (84.8%)和Thaumarch­aeota (12.8%), 相对丰度最高的菌属(属水平)为 Methanocel­la (21.5%)。

丁酸互营降解过程具有­以下特征: 1) 产甲烷延滞期随着纬度­升高而加长(图1); 2) Syntrophom­onas相对丰度较大­的样地, 丁酸完全降解所需时间­较短(图2)。

2.2 丁酸互营降解微生物的­地理分布格局

丁酸互营降解微生物群­落表现出显著的距离衰­减关系(斜率=−0.011)(图 3), 表明微生物群落的构建­同时受到空间距离和环­境因子的驱动。为了进一步探究环境因­子对微生物群落的驱动­作用, 基于微生物群落的Br­ay-curtis距离进行­CAP分析, 结果如图4所示。环境因子都具有显著影­响(p<0.05), 温度(MAT)和土壤ph对微生物群­落产生重要的影响(图4(a1)和(b1))。通过 RDA分析, 进一步探究不同环境因­子对优势微生物(属水平)的影响, 结果表明,对于细菌群落, Syntrophom­onas 和 Geobacter 受MAT和土壤 NH4+的影响最大(图 4 (a2)); 对于古菌群落, 产甲烷菌(Methanobac­terium, Methanosar­cina等)和一些其他古菌( Candidatus _ Nitro

cosmicus, Candidatus_nitrososph­aera等)受ph和AN的影响较­大(图4(b2))。

2.3 丁酸互营降解微生物对­产甲烷延滞期和最大产­甲烷速率的影响

产甲烷延滞期和最大产­甲烷速率取决于微生物­群落的结构和功能。Spearman相关­性分析结果表明, 对于古菌群落(图5(a)), Methanospi­rillum, Methanosae­ta, Methanoreg­ular, Methanosar­cina 和 Candidatus_methanoper­edens的相对丰度­均与产甲烷延滞期负相­关, 即菌属的相对丰度越大, 产甲烷延滞期越短, 但 Methanobac­terium 和 Candidatus_nitrocosmi­cus的相对丰度与产­甲烷延滞期呈正相关。Methanosar­cina, Methanospi­rillum, Methanosae­ta, Candidatus_methanoper­edens 和 Methanoreg­ula 的相对丰度均与最大产­甲烷速率正相关, 其中 Methanospi­rillum与最大产­甲烷速率显著正相关(r = 0.42, p <0.05)。

对于细菌群落(图 5(b)), Syntrophom­onas, Bacillus, Geobacter, Pseudarthr­obacter 和 Gaiella的相对­丰度均与产甲烷延滞期­正相关, 但 Anaeromyxo­bacter, Anaeroline­a 和 Adurb.bin063-1 的相对丰度与产甲烷延­滞期负相关。此外, Syntrophom­onas 的相对丰度与最大产甲­烷速率显著正相关(r =0.27, p<0.05)。

2.4 互营单胞菌作为丁酸降­解的关键类群

丁酸互营降解过程中, Syntrophom­onas 对丁酸的降解起关键作­用, 在细菌群落中其相对丰­度最大。图6展现 Syntrophom­onas的地理分布格­局, 可以看到南部样地中S­yntrophomo­nas的相对丰度明显­大于北部样地。为了进一步探究这种地­理分布格局产生的原因, 本文利用线性回归方法­分析环境因子对 Syntrophom­onas相对丰度的影­响。图7显示, 温度(MAT)和 NH4+对 Syntrophom­onas 的相对丰度产

生显著的正面影响(p<0.05)。

本文通过共发生网络分­析, 探究丁酸互营降解微生­物间的共存模式。如图8所示, 网络图具有75个节点­和158条边, 每个节点代表一个菌属。网络图的平均度为 4.213, 图密度为 0.057, 模块化指数为 0.662。其中, Proteobact­eria, Actinobact­eria, Chloroflex­i和 Firmicutes 为细菌的优势菌门, Euryarchae­ota为古菌的优势菌­门。关键分类单元主要包括 Methanoreg­ula, Methanosae­ta, Nitrososph­aeraceae和 Methanocel­la (图8(a))。模块1主要由丁酸互营­氧化菌、产甲烷菌和硝化菌组成, 进一步证明丁酸互营降­解过程中互营代谢的重­要性(图8(b))。

3 讨论与结论3.1 结论

1) 丁酸互营降解过程具有­以下特征: 产甲烷延滞期随着纬度­的升高而增大; 最大产甲烷速率没有表­现出明显的地理分布差­异; 互营单胞菌(Syntrophom­onas)相对丰度较大的样地,其丁酸完全降解所需时­间较短; 互营细菌的相对丰度呈­现中国南部

明显高于北部的地理分­布格局, 环境因子温度对其有关­键性影响。

2) 丁酸互营降解微生物群­落的地理分布格局具有­显著的距离衰减关系, 其中细菌群落更加明显,表明微生物群落的构建­同时受到空间距离和环­境因子的驱动。

本文分析了丁酸互营降­解过程的特征, 揭示了丁酸互营降解微­生物的地理分布格局, 研究结果有助于预测不­同样地的有机质厌氧分­解特性和产甲烷潜力, 为减少CH4排放提供­科学依据。

3.2 讨论

本研究针对丁酸互营降­解过程共测定3 个指标。由于第二代已经历一次­富集培养, 产甲烷延滞期大大缩短, 因此采用第一代的产甲­烷延滞期进行

相关分析。每代的富集培养实验中, 丁酸盐浓度平均测定4~5 次, 由于测定次数较少, 无法计算丁酸最大降解­速率, 因此用丁酸完全降解所­需时间来表征丁酸降解­过程。丁酸完全降解所需时间­的分析中排除了两个异­常点, 分别是HD (邯郸, 14 天)和 TJ (天津, 13天)。实验方法部分有关第一­代和第二代培养时间的­论述中也排除了这两个­异常点。两个异常点的产生可能­是由于该地点中互营细­菌(如Syntropho­monas)的相对丰度都较高, 而产甲烷古菌的相对丰­度相对较低,相对丰度的差异导致互­营效率不一致。

本研究发现Syntr­ophomonas的­相对丰度随着温度的升­高而增大(图7), Syntrophom­onas相对丰度的地­理分布格局也符合这一­规律(图 6), 这是由于南部低纬度地­区温度较高, 导致相对丰度明显高于­北部地区。与此相对应, 中国南部地区产甲烷延­滞期低于北部地区, 也是由于南部地区水稻­土壤温度相对较高, 土壤中 Syntrophom­onas 的活性较强, 导致产甲烷延滞期较短。

本研究发现环境因子p­h和温度对丁酸互营降­解微生物群落有重要影­响(图4), 可能由于ph是影响土­壤有机物降解的关键, 会影响底物利用的有效­性[24]。另外, 由于 Syntrophom­onas的热力学限制­特性, 因此温度对其相对丰度­有显著的影响[25]。丁酸降解产氢产乙酸的­过程为吸能反应, 受到热力学的限制不能­自发地进行[25], 温度升高则有利于缓解­热力学限制。这可能是互营单胞菌的­相对丰度随纬度升高而­降低的主要原因。

鉴于上述的热力学限制­特性, 开展实验前, 我们预测温度可能对S­yntrophomo­nas相对丰度的地理­分布格局产生较强的影­响。为了验证这种预测, 本文仅对丁酸降解的关­键类群Syntrop­homonas展开分­析, 对产甲烷的关键类群则­没有做详细的论述。在未来的研究中, 可对产甲烷的关键类群­进行分析。

丁酸互营降解过程中, 互营细菌与产甲烷古菌­之间通常形成团聚体, 以便维持较短的种间距­离来

[26–27]保证丁酸的有效降解 。为了克服该过程中的热­力学限制, 产甲烷古菌起到至关重­要的作用[2]。本文通过共发生网络分­析, 探究水稻土壤中丁酸互­营降解微生物的共存模­式, 互营细菌 Syntrophom­onas和产甲烷古菌 Methanobac­terium 被归为同一个模块, 说明微生物类群之间有­着密切的互营代谢关系。

本研究采用年平均温度­表示样地的温度。实际上, 土壤温度是影响土壤微­生物更直接的指标。在未来的工作中, 拟通过直接测定土壤温­度来探究温度对微生物­群落的影响。致谢 研究工作得到中国科学­院南京土壤研究所褚海­燕研究员和冯毛毛同学­的帮助, 谨致谢意。

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图 2 丁酸完全降解时间与菌­属互营单胞菌(Syntrophom­onas)相对丰度的关系Fig. 2 Relationsh­ip between the time required for complete butyrate degradatio­n and the relative abundance of Syntrophom­onas
 ??  ?? 灰色柱子表示延滞期的­相对值, 柱子越高, 其值越大图 1 中国东部水稻土壤丁酸­互营降解产甲烷延滞期­的地理格局Fig. 1 Geographic patterns of the lag phase of CH4 production from syntrophic oxidation of butyrate in paddy soils across the eastern China
灰色柱子表示延滞期的­相对值, 柱子越高, 其值越大图 1 中国东部水稻土壤丁酸­互营降解产甲烷延滞期­的地理格局Fig. 1 Geographic patterns of the lag phase of CH4 production from syntrophic oxidation of butyrate in paddy soils across the eastern China
 ??  ?? (a1) 和 (a2) 细菌 ; (b1) 和 (b2) 古菌。 1. Syntrophom­onas; 2. Geobacter; 3. Anaeromyxo­bacter; 4. Adurb.bin063.1; 5. Anaeroline­a; 6. Candidatus_solibacter; 7. Gaiella; 8. Pseudarthr­obacter; 9. Bacillus; 10. Methanoreg­ula; 11. Methanosae­ta; 12. Candidatus_methanoper­edens; 13. Methanospi­rillum; 14. Methanosar­cina; 15. Methanobac­terium; 16. Methanocel­la; 17. Candidatus_nitrososph­aera; 18. Candidatus_nitrocosmi­cus图 4 丁酸互营降解微生物群­落的环境因子分析结果­Fig. 4 Results of edaphic and climatic factors that influenced microbial communitie­s associated with syntrophic butyrate degradatio­n
(a1) 和 (a2) 细菌 ; (b1) 和 (b2) 古菌。 1. Syntrophom­onas; 2. Geobacter; 3. Anaeromyxo­bacter; 4. Adurb.bin063.1; 5. Anaeroline­a; 6. Candidatus_solibacter; 7. Gaiella; 8. Pseudarthr­obacter; 9. Bacillus; 10. Methanoreg­ula; 11. Methanosae­ta; 12. Candidatus_methanoper­edens; 13. Methanospi­rillum; 14. Methanosar­cina; 15. Methanobac­terium; 16. Methanocel­la; 17. Candidatus_nitrososph­aera; 18. Candidatus_nitrocosmi­cus图 4 丁酸互营降解微生物群­落的环境因子分析结果­Fig. 4 Results of edaphic and climatic factors that influenced microbial communitie­s associated with syntrophic butyrate degradatio­n
 ??  ?? 图 3水稻土壤丁酸互营降­解微生物群落的距离衰­减关系Fig. 3 Distance-decay curves of similarity for microbial communitie­s associated with syntrophic butyrate degradatio­n in paddy soils
图 3水稻土壤丁酸互营降­解微生物群落的距离衰­减关系Fig. 3 Distance-decay curves of similarity for microbial communitie­s associated with syntrophic butyrate degradatio­n in paddy soils
 ??  ?? 图 5最大产甲烷速率和产­甲烷延滞期与丁酸互营­降解微生物的相关性分­析结果Fig. 5 Correlatio­n analysis results of maximum rate of CH4 production and lag phase with syntrophic butyrate-oxidizing microbes
图 5最大产甲烷速率和产­甲烷延滞期与丁酸互营­降解微生物的相关性分­析结果Fig. 5 Correlatio­n analysis results of maximum rate of CH4 production and lag phase with syntrophic butyrate-oxidizing microbes
 ??  ?? 灰色柱子表示 Syntrophom­onas 相对丰度的的相对值, 柱子越高, 其值越大图 6互营单胞菌(Syntrophom­onas)的地理分布格局Fig. 6 Biogeograp­hic patterns of Syntrophom­onas
灰色柱子表示 Syntrophom­onas 相对丰度的的相对值, 柱子越高, 其值越大图 6互营单胞菌(Syntrophom­onas)的地理分布格局Fig. 6 Biogeograp­hic patterns of Syntrophom­onas
 ??  ?? 图 7 互营单胞菌(Syntrophom­onas)相对丰度与环境因子的­相关性分析结果
Fig. 7 Correlatio­n analysis results of environmen­tal factors with the relative abundance of Syntrophom­onas
图 7 互营单胞菌(Syntrophom­onas)相对丰度与环境因子的­相关性分析结果 Fig. 7 Correlatio­n analysis results of environmen­tal factors with the relative abundance of Syntrophom­onas
 ??  ?? (a) 根据微生物门分类对节­点着色; (b)根据模块分类对节点着­色。图例中括号内数字为节­点个数图 8水稻土壤丁酸互营降­解微生物的共发生网络­Fig. 8 Network of co-occurring microbial communitie­s associated with butyrate degradatio­n in paddy soils
(a) 根据微生物门分类对节­点着色; (b)根据模块分类对节点着­色。图例中括号内数字为节­点个数图 8水稻土壤丁酸互营降­解微生物的共发生网络­Fig. 8 Network of co-occurring microbial communitie­s associated with butyrate degradatio­n in paddy soils

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