Отсутствие влияния кислорода на микробную структуру и образование метана во время высыхания и повторного увлажнения.

Том 12 научных докладов, номер статьи: 16570 (2022 г.) Цитировать эту статью

964 доступа

5 Альтметрика

Подробности о метриках

В природных средах с частым дренажем наблюдаются явления высыхания и повторного увлажнения, которые вызывают колебания доступности воды и воздействия кислорода. Эти относительно драматичные циклы оказывают глубокое влияние на микробную активность в окружающей среде и последующие выбросы метана и углекислого газа. В этом исследовании мы имитировали события высыхания и повторного увлажнения, подвергая метаногенные сообщества из строго анаэробной среды (анаэробные дигестеры) с различными филогенетическими структурами последовательным событиям высыхания в аэробных (воздух) и анаэробных (азот) условиях с последующим повторным увлажнением. Мы показали, что производство метана быстро восстанавливалось после каждого повторного увлажнения, и, что удивительно, не наблюдалось существенной разницы между эффектами аэробного и анаэробного высыхания. После последовательного осушения и повторного увлажнения произошло небольшое изменение структуры микробного сообщества и снижение скорости метанообразования, что можно объяснить истощением пула доступного органического вещества или угнетением метаногенных сообществ. Эти наблюдения показывают, что по сравнению с событиями высыхания и повторного увлажнения или воздействия кислорода, исходная филогенетическая структура, а также количество и качество органического вещества оказали более сильное влияние на метаногенные сообщества и общие реакции микробного сообщества. Эти результаты меняют современную парадигму чувствительности строгих анаэробных микроорганизмов к воздействию кислорода.

Природные среды с частым дренажем подвергаются явлениям высыхания и повторного увлажнения, которые приводят к колебаниям воздействия кислорода (O2), вызванным резкими изменениями уровня грунтовых вод. Обычно считается, что строгие анаэробы обладают низкой толерантностью к O2, но они могут применять различные стратегии, чтобы справиться с таким воздействием O2, например, формируя стадии покоя или производя ферменты, дезактивирующие активные формы кислорода (АФК)1. Кроме того, метаногены, хотя и считаются чувствительными к O2 микроорганизмами, показали способность восстанавливаться после воздействия O2, вызванного высушиванием. Метаногены часто обнаруживаются в окислительной среде, такой как бескислородные почвы рисовых полей, которые часто осушаются воздухом, а антиоксидантные гены, такие как ген каталазы (КАТ), также обнаруживаются в их геномах, особенно в геномах метаногенов класса II, например , Methanosarcina barkeri, Methanobrevibacter arboriphilus и Methanocellales, также демонстрирующие аэротолерантность2,3. Кроме того, сообщалось о более высокой устойчивости к окислительному стрессу у Methanocellales, Methanomirobiales и Methanosarcinales по сравнению с метаногенами класса I (например, Methanopyrales, Methanobacteriales и Methanococcales).2 Эта устойчивость может быть объяснена их способностью противодействовать повреждениям, вызываемым O2 и реактивными видов кислорода (АФК) через усиленные механизмы защиты/восстановления, такие как более разнообразный и более высокий уровень экспрессии антиоксидантных ферментов и развитие нового пути элиминации О2/АФК2. Таким образом, недавно было высказано предположение, что теория непереносимости О2 у микробиология должна быть модифицирована, т.е. некоторые таксоны строгих анаэробных метаногенов могут выживать в кислородных условиях4. Кроме того, было показано, что их функция быстро восстанавливается, о чем свидетельствует усиленная деградация органических веществ и образование метана после высыхания пресноводных отложений с последующим повторным увлажнением5. Неясно, какой фактор окружающей среды мог способствовать этому восстановлению, но сообщалось об изменениях в осадочных микробных сообществах после высыхания и повторного увлажнения6, которые были различны для отложений различного происхождения. Это наблюдение привело к предположению о потенциальном влиянии различных органических источников на реакцию микробов на высыхание4, поскольку высыхание воздуха и повторное увлажнение могут повлиять на характеристики органического вещества7. Аналогичным образом было замечено, что минерализация органического вещества усиливалась при высыхании и повторном увлажнении почвы из-за повышенной растворимости органического вещества и разрушения почвенных агрегатов8. Напротив, Hernandez et al. (2019) отметили, что по сравнению с эффектом высыхания и повторного увлажнения влияние органических веществ почвы на микробное сообщество было незначительным9. Конрад (2020) предположил, что метаногенная нечувствительность к высыханию и воздействию O2 может быть правдоподобным объяснением этих противоречивых результатов, и предположил, что окислительная устойчивость анаэробного микробного сообщества может быть достигнута или усилена за счет сезонного/периодического высыхания и повторного увлажнения естественной эко-среды4. .