反硝化型甲烷厌氧氧化的研究进展

反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)即甲烷厌氧氧化耦合反硝化,是指在厌氧条件下以甲烷作为电子供体,NO2-/NO3-作为电子受体的反硝化过程。甲烷是一种温室气体,其引起的温室效应是等物质量CO2的20~30倍。DAMO过程利用甲烷代替常规碳源进行脱氮,有利于减少温室效应,并改善氮循环。研究发现,Candidatus Methylomirabilis oxyfera细菌和Candidatus Methanoperedens nitroreducens古菌是参与DAMO过程的2类主要功能微生物,前者通过内部好氧机制耦合亚硝酸盐还原与甲烷的厌氧氧化,后者则通过逆向产甲烷途径耦合硝酸盐还原与甲烷的厌氧氧化。本文详细阐述了M.oxyfera细菌和M.nitroreducens古菌细胞内代谢途径,着重总结了甲烷、NO2-/NO3-、反应器构型、温度等因素对DAMO性能的影响。并对DAMO实际应用方面的研究现状做了调研。在DAMO功能微生物作用机制、快速富集及影响因素的进一步深入研究的基础上,推进DAMO污水脱氮工艺的应用是未来的主要研究热点和发展方向。     

微生物厌氧甲烷氧化反硝化研究进展

厌氧甲烷氧化反硝化过程(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)以甲烷为电子供体进行反硝化作用,在实现废水脱氮处理的同时,可有效削减温室气体甲烷的排放,从而减缓全球温室效应。相关机制研究集中在逆向产甲烷途径耦合反硝化和亚硝酸盐依赖型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,n-damo)两个方面。鉴于厌氧甲烷氧化反硝化过程对全球碳氮物质循环的重要意义,本文对近年来厌氧甲烷氧化反硝化过程的研究进展进行了概述,着重阐述了有关厌氧甲烷氧化反硝化微生物富集培养物,特别是含Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)富集培养物的微生物特性、甲烷氧化反硝化的机理以及影响因子。在此基础上,探讨了厌氧甲烷氧化反硝化过程未来的研究方向和工业化应用前景。     

稻田土壤亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌群落结构的时空特征

稻田是温室气体甲烷的重要排放源之一,对全球气候变化具有重要影响.由隶属于NC10门的Candidatus Methylomirabilis oxyfera(M.oxyfera)-like细菌介导的亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化是控制稻田甲烷排放的新途径.目前,有关此类微生物群落在稻田土壤中的时空分布特征及其环境影响因素尚不明确...     

内陆湿地与水体甲烷厌氧氧化功能微生物研究进展

内陆湿地与水体(如湖泊、河流、水库等)是温室气体甲烷的重要排放源。微生物介导的甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)反应在控制内陆湿地与水体甲烷排放中起着不可忽视的作用,对缓解全球温室效应具有重要意义。内陆湿地与水体易形成缺氧环境,且电子受体的种类和数量繁多,是发生AOM反应的理想生境。近年来,不断有研究表明,内陆湿地与水体中存在多种电子受体(NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-、Fe (III)等)驱动的AOM途径。NC10门细菌和甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)的一新分支ANME-2d主导了湿地和水体环境中的AOM反应,其中ANME-2d具有根据环境条件选择不同电子受体的潜力。研究系统综述了内陆湿地与水体中不同电子受体驱动的AOM途径及其参与的主要功能微生物类群;分析了AOM反应在控制温室气体甲烷排放中的作用及其环境影响因素;总结了相关功能微生物的分子生物学检测方法及甲烷厌氧氧化活性测定的同位素示踪技术。最后,对未来相关研究方向进行了展望。     

利用硝酸盐和亚硝酸盐同步富集厌氧甲烷氧化微生物的比较实验

【背景】反硝化厌氧甲烷氧化(Denitrifying anaerobic methane oxidation,DAMO)是以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体以甲烷为电子供体的厌氧氧化过程,对认识全球碳氮循环、削减温室气体排放和开发废水脱氮新技术等方面具有重要意义。【目的】认识以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的DAMO微生物富集过程和结果的差异性。【方法】在序批式反应器(Sequencing batch reaetor,SBR)内接种混合物,分别以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体连续培养800 d,定期检测反应器基质浓度变化、计算转化速率;利用16S rRNA基因系统发育分析研究功能微生物的多样性,利用实时荧光定量PCR技术定量测定功能微生物。【结果】以亚硝酸盐为电子受体的1、3号反应器富集到了DAMO细菌,未检测到DAMO古菌;以硝酸盐为电子受体的2号反应器富集到了DAMO细菌和古菌的混合物;3个反应器的脱氮速率经过初始低速期、快速提升期,最终达到稳定,但2号快速提升期开始时间比1、3号晚了80 d左右,达到稳定的时间更长,稳定最大速率为1、3号的44.7%、40.3%。【结论】硝酸盐和亚硝酸盐对富集产物有决定性影响;以硝酸盐为电子受体富集得到的DAMO古菌和细菌协同体系可以长期稳定共存,DAMO古菌可能是协同体系中脱氮速率的限制性因素。     

湿地甲烷代谢对氮输入响应的复杂性及其机制分析

氮素是影响湿地甲烷代谢过程的重要因素之一。氮输入是否影响湿地甲烷排放,增加全球气候变暖的风险,一直受到科学界的高度关注。目前关于氮输入对湿地甲烷排放影响的几篇meta-analysis文章的主要结论均为氮输入促进湿地甲烷排放,但是多篇研究性论文的结果为氮输入抑制或不影响湿地甲烷排放,由此可见氮输入对湿地甲烷排放的影响十分复杂。湿地甲烷代谢包括湿地甲烷产生、氧化和传输过程以及最终的甲烷排放,综述不同形态氮输入对水稻田、内陆湿地和滨海湿地甲烷排放通量影响的复杂性;分析湿地甲烷产生速率和途径、甲烷好氧氧化和硝酸盐/亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化对不同形态氮输入的响应及机制。硝态氮输入对湿地甲烷产生具有抑制作用已成共识,然而其它形态氮输入对湿地土壤甲烷产生的影响具有较大的不确定性,氮输入影响湿地甲烷产生的机制主要包括电子受体-底物竞争机制、离子毒性机制、促进植物生长-碳底物供给增加机制以及pH调控机制等。氮输入对湿地好氧甲烷氧化影响的研究多集中在水稻田和泥炭湿地,影响的结果包括促进、抑制或影响不显著;氮输入促进湿地土壤硝酸盐/亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化。着重分析氮输入对湿地甲烷代谢影响不确定性的成因,指出...     

厌氧甲烷氧化微生物物质代谢与能量代谢研究进展

甲烷既是一种温室气体,也是一种潜在的能源物质,其源与汇的平衡对地球化学循环及工程应用均有重要意义。厌氧甲烷氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)过程是深海、湿地和农田等自然生境中重要的甲烷汇,在缓解温室气体排放方面发挥了巨大作用。AOM微生物的中枢代谢机制及其能量转化途径则是介导厌氧甲烷氧化耦合其他物质还原的关键所在。因此,本文从电子受体多样性的视角,主要分析了硫酸盐型,硝酸盐/亚硝酸盐型,金属还原型厌氧甲烷氧化微生物的生理生化过程及环境分布,并对近些年发现的新型厌氧甲烷氧化进行了梳理;重点总结了厌氧甲烷氧化微生物细胞内电子传递路径以及胞外电子传递方式;根据厌氧甲烷氧化微生物环境分布及反应特征,就其生态学意义及在污染治理与能源回收方面的潜在应用价值进行了展望。本综述以期深化对厌氧甲烷氧化过程的微生物学认知,并为其潜在的工程应用方向提供新的思路。     

陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理

陆地生态系统存在许多常年性或季节性缺氧环境,如:湿地、水稻土、湖泊沉积物、动物瘤胃、垃圾填埋场和厌氧生物反应器等。每年有大量有机物质进入这些环境,在缺氧条件下发生厌氧分解。甲烷是有机质厌氧分解的最终产物。产生的甲烷气体可通过缺氧-有氧界面释放到大气,产生温室效应,是重要的温室气体。产甲烷过程是缺氧环境中有机质分解的核心环节,而甲烷氧化是缺氧-有氧界面的重要微生物过程。甲烷的产生和氧化过程共同调控大气甲烷浓度,是全球碳循环不可分割的组成部分。对陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理研究进展进行了概要回顾和综述。主要内容包括:新型产甲烷古菌即第六和第七目产甲烷古菌和嗜冷嗜酸产甲烷古菌的发现;短链脂肪酸中间产物互营氧化过程与直接种间电子传递机制;新型甲烷氧化菌包括厌氧甲烷氧化菌和疣微菌属好氧甲烷氧化菌的发现;甲烷氧化菌生理生态与环境适应的新机制。这些研究进展显著拓展了人们对陆地生态系统甲烷产生和氧化机理的认识和理解。随着新一代土壤微生物研究技术的发展与应用,甲烷产生和氧化微生物研究领域将面临更多机遇和挑战,对未来发展趋势做了展望。     

盐分对湿地甲烷排放影响的研究进展

当前在全球气候变化和人类活动双重作用下,湿地正在或者将要面临着显著的盐分变化形势,尤其是内陆和滨海咸化湿地。湿地是大气甲烷的重要排放源。甲烷排放是甲烷产生、氧化和传输过程综合作用的结果。盐分变化将影响湿地水-土环境,降低植物群落初级生产力和有机物积累速率,改变微生物主导的有机物矿化速率和途径等,进而改变湿地生态系统的结构和功能,影响湿地甲烷产生、氧化、传输和排放系列过程。本文综述了盐分(浓度与组成)对湿地甲烷产生与排放的影响结果,从底物供给、微生物(产甲烷菌和甲烷氧化菌等)数量、活性与群落组成、酶活性、植物、电子受体、p H和氧化还原电位等几个关键方面分析了盐分影响湿地甲烷排放过程的内在机制。在此基础上提出了今后需重点关注的5个方面:1)加强盐分浓度与组成对湿地甲烷产生、氧化、传输与排放影响的系统性、框架性研究;2)深入探讨盐分背景、变化幅度与速率的耦合如何影响湿地甲烷系列过程;3)不同离子组成及其交互效应如何影响湿地甲烷动态过程;4)结合生物学、基因组学及同位素技术等,加强湿地产甲烷菌与甲烷氧化菌与盐分的关系及其响应研究;5)湿地甲烷对盐分变化响应的时空分异规律。     

低温湿地甲烷古菌及其介导的甲烷产生途径

甲烷是重要的温室气体,低温湿地是大气甲烷的重要来源,因为湿地土壤中生活着大量的微生物包括甲烷古菌,它们将有机物降解转化为甲烷.本文总结了近年来低温湿地甲烷古菌群落组成、甲烷产生途径及其与环境的关系.研究显示,乙酸是低温湿地中主要的产甲烷物质,氢产甲烷过程主要发生在中温地区或酸性泥炭土中,而在盐碱水域中甲醇、甲胺是甲烷的重要底物.位于我国青藏高原的若尔盖湿地具有高海拔但低纬度的地理特征,我们的前期研究却显示甲醇在该湿地的甲烷排放中具有重要贡献.相应地,低温湿地中的甲烷古菌主要是利用甲基类化合物/乙酸的甲烷八叠球菌目和氢营养型的甲烷微球菌目.然而不同类型湿地甲烷排放途径及甲烷古菌的差异主要与环境的土壤类型、pH及植被类型相关,如刚毛荸荠生长的若尔盖湿地土壤中来源于甲醇的甲烷占全部甲烷的l7％;而木里苔草土壤中乙酸是产甲烷的主要前体物质.尽管已知冷适应的甲烷古菌在低温湿地的甲烷排放中发挥重要作用,但目前获得培养的嗜冷甲烷古菌却很少.冷响应的组学研究显示甲烷古菌的冷适应涉及到全局性生物学过程.     

稻田秸秆还田:土壤固碳与甲烷增排

基于我国农田土壤有机质长期定位试验和稻田甲烷排放试验成果,将全国稻田划分为单季区和双季区.根据土壤有机质试验数据,分析了秸秆还田在我国两个稻田区的单季稻田、水旱轮作稻田和双季稻田的固碳潜力.同时根据我国稻田甲烷排放试验数据,采用取平均排放系数的方法,估算了我国稻田在无秸秆还田情况下的甲烷排放总量;结合IPCC推荐的方法和参数,估算了我国稻田秸秆还田后甲烷排放总量及增排甲烷的全球增温潜势.结果表明:在中国稻田推广秸秆还田的固碳潜力为10.48TgC.a-1,对减缓全球变暖的贡献为38.43TgCO2-eqv.a-1;但秸秆还田后稻田甲烷排放将从无秸秆还田的5.796Tg.a-1增加到9.114Tg.a-1;秸秆还田引起甲烷增排3.318Tg.a-1,其全球增温潜势达82.95TgCO2-eqv.a-1,为土壤固碳减排潜力的2.158倍.可见,推广秸秆还田后,中国稻田增排甲烷的温室效应会大幅抵消土壤固碳的减排效益,是一项重要的温室气体泄漏.     

湿地微生物介导的甲烷排放机制

湿地生态系统是陆地上巨大的有机碳库,同时也是大气中甲烷(CH_4)的主要排放源。由于CH_4对全球的增温潜能是CO2的34倍,因此关于湿地CH_4排放在全球气候变化中有关碳汇、碳源的研究具有极其重要的意义。全球80%–90%的CH_4排放离不开微生物活动,湿地生态系统中产CH_4菌和CH_4氧化菌的种类组成、数量及功能与CH_4通量密切相关,但基于湿地生态系统中介导CH_4循环的功能微生物对甲烷排放通量的影响及作用机制研究相对比较分散。为更好地认识微生物介导的CH_4排放过程的微生物调控机制,本文综述了湿地生态系统中参与CH_4循环的功能微生物,对介导CH_4循环相关微生物活性的影响因子进行了回顾,重点总结了湿地生态系统微生物介导的CH_4排放机制,并对未来的相关研究方向进行了展望。由于湿地微生物介导的碳循环过程也可能决定了湿地生态系统对全球气候变暖的反馈,因此本文也能为全球气候变化研究提供微生物方面的参考。     

微生物生物量C、土壤呼吸的季节性变化与黑土稻田甲烷排放

对黑土水稻田一个生长季中土壤微生物生物量C、土壤呼吸和甲烷排放通量进行了监测。结果表明,在水稻生长初期,长效尿素能显著抑制微生物生物量C和土壤呼吸(P<0．05),间歇灌溉措施对二者几乎没有影响,间歇灌溉能减少稻田甲烷的排放,平均排放量比对照减少了32．5％,长效尿素的施用稻田使甲烷的排放略有增加,施用长效尿素的处理,微生物生物量C与甲烷排放量之间呈显著正相关关系。     

增温对土壤N2O和CH4排放的影响与微生物机制研究进展

全球变暖已引起人们的广泛关注,大气温室效应气体浓度增加是导致全球变暖的主要因素之一,土壤是温室效应气体的主要来源。反过来,全球变暖对土壤温室气体的排放具有反馈作用。温度升高不仅会影响植物、动物、微生物的生长及其相互作用,还会影响土壤的物质(尤其是氮、碳)循环过程,从而影响土壤温室效应气体的排放。本文主要总结了增温对土壤主要温室气体N₂O和CH₄排放的影响及其微生物机制。总体来看,增温能够促进这两种温室气体的排放,其排放主要与温度对氨氧化细菌(AOB)、反硝化功能基因、甲烷产生菌和甲烷氧化菌的丰度和组成的影响有关。土壤温室气体排放也受到植物的物种特性、养分吸收和群落组成,以及土壤营养元素含量、含水量、pH值等理化性质的影响。未来应更深入地从微生物角度探讨全球变暖对土壤温室气体排放的反馈作用机制,加强不同增温模式对土壤温室气体排放的影响研究,并关注增温与其他环境因子相互作用对土壤温室气体排放的影响等,以期为全球变暖对土壤温室气体排放反馈作用的预测提供理论依据。     

土壤中甲烷厌氧氧化菌多样性的分子检测

甲烷厌氧氧化作用是减少海洋底泥甲烷释放的重要生物地球化学过程,然而在陆地生态系统中甲烷厌氧氧化作用及其功能菌群的生态功能仍然不确定。对甲烷厌氧氧化菌多样性的研究可为减少甲烷排放提供重要科学依据。与传统的分离培养方法比较,分子检测方法是一种更为快速和高效的研究手段,可直接和全面的反映参与甲烷厌氧氧化作用的功能微生物。以DNA分子标记物为研究对象,重点探讨三类主要的分子标记基因,即16S rRNA,mcr A和pmo A,所采用的相关探针和引物信息,同时从定性和定量两个角度综述土壤甲烷厌氧氧化菌的多样性研究的主要进展,最后提出厌氧甲烷氧化菌多样性研究中存在的一些问题和相应的解决思路。     

植物排放甲烷的研究进展

甲烷是一种重要的大气痕量气体,参与全球变暖和大气化学作用。传统上已知的甲烷生物排放源只有专性厌氧的原核生物即甲烷产生菌。然而近年来有研究发现,植物在好氧条件下能通过一种未知的机理排放甲烷,即非微生物机制产生甲烷。本文对植物排放甲烷的研究进展进行了综述,并提出了今后应加强研究的方面。     

植物排放甲烷的研究进展

甲烷是一种重要的大气痕量气体,参与全球变暖和大气化学作用。传统上已知的甲烷生物排放源只有专性厌氧的原核生物即甲烷产生菌。然而近年来有研究发现,植物在好氧条件下能通过一种未知的机理排放甲烷,即非微生物机制产生甲烷。本文对植物排放甲烷的研究进展进行了综述,并提出了今后应加强研究的方面。     

自然环境中亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程的研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(Nitrite-dependent anaerobic methane oxidation N-DAMO)是以亚硝酸盐为电子受体, 将甲烷氧化为二氧化碳的微生物反应过程。N-DAMO反应作为温室气体甲烷消耗的关键途径之一, 在甲烷减排, 缓解温室效应方面起着至关重要的作用。基于此, 文章概述了N-DAMO菌的分类和作用机理; 浅析了N-DAMO菌在多种自然生境中的分布特征, N-DAMO菌不仅广泛分布于普通的自然环境中(如稻田、湿地、海洋、湖泊等), 也存在于某些特殊生境中(如潮间带、盐湖、高原、沙漠湖泊等); 总结了N-DAMO菌群富集培养过程中的影响因素, 包括温度、甲烷浓度、基质浓度等, 并且排泥可以有效提高反应器脱氮速率, 增加N-DAMO菌的相对丰度, 同时促进功能微生物的生长。     

自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性的分子检测

自然湿地是CH4排放的重要来源之一。产甲烷菌和甲烷氧化菌是介导自然湿地甲烷循环的重要功能菌群。开展产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性的检测研究有助于揭示微生物介导的甲烷循环以及自然湿地甲烷排放的时空异质性。传统基于培养的检测方法已被证实无法充分描述产甲烷菌和甲烷氧化菌的多样性,而分子检测方法为自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的多样性检测提供了一种更准确和科学的工具。本文综述了自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的定性和定量分子检测方法,包括末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、荧光原位杂交（FISH）和实时定量PCR（real-time qPCR）,重点分析了分子检测中两类重要的标记基因,总结了不同类型自然湿地产甲烷菌和甲烷氧化菌群落多样性的最新成果,提出了我国在该领域今后应深入研究探讨的一些问题及建议。     

水稻植株对稻田甲烷排放的影响

稻田CH4排放是稻田土壤中CH4产生、氧化和传输不同过程的净效应,水稻植株强烈影响稻田CH4的产生、氧化和传输过程,是导致稻田CH4排放季节性变化规律的一个重要因素,本文综述了水稻植株对稻田CH4排放过程的不同影响,水稻植株根系分泌物和脱落物作为产甲烷前体促进稻田土壤中CH4的产生,在水稻生长后期,植株根系分泌物和脱落物被认为是稻田土壤甲烷产生的主要基质,是导致这一时期稻田CH4高排放通量的主要原因;水稻植株根系泌氧在根际环境形成一个微氧区域氧化稻田甲烷,整个水稻生长季稻田土壤中产生的CH4大约36％～90％在植株根际环境中被氧化;约80％甚至更多的稻田CH4通过水稻植株的通气组织进入大气圈,植株对稻田CH4的传输具有十分重要的意义。