湿地甲烷代谢微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究进展

湿地作为一种独特的生态系统,是大气中重要温室气体甲烷（CH₄）的"源",湿地CH₄的排放是CH₄的产生、传输和氧化三个过程的最终结果,其排放量与产甲烷菌（methanogens）和甲烷氧化菌（methanotrophs）的活动密切相关。本文对湿地甲烷代谢重要微生物产甲烷菌和甲烷氧化菌的分类、特点、代谢途径、分子生态学研究现状及影响湿地产甲烷菌和甲烷氧化菌的重要环境因子等方面进行了综述,旨在促进我国湿地产甲烷及甲烷氧化菌群的领域更加系统和深入的研究,为有效调控湿地CH₄代谢,减少CH₄排放通量提供参考。     

河滨修复湿地不同植物配置对甲烷排放的影响

为了探讨河滨修复湿地在不同条件下CH₄的排放规律及降低CH₄排放的调控途径,以自行设计和建造的河滨湿地为研究对象,对植物种类配置及植株密度进行人为调控,运用静态箱-气相色谱法测定CH₄排放通量. 结果表明:①CH₄排放通量具有明显的季节性变化规律,其中夏季最大,占全年CH₄总排放量的50%以上;冬季最小,低于全年CH₄总排放量的5%. ②植物种植会明显增加CH₄的排放,不同植物类型通过改变w(SOC)(SOC为土壤有机碳)、气体传输机制以及产CH₄菌群落来改变湿地的CH₄排放,4种供试植物中,通气组织较发达的芦苇和水葱湿地CH₄排放通量分别为(1.98±0.78)和(1.41±0.58)mg/(m2·h),显著低于黄菖蒲的(6.77±1.92)mg/(m2·h). ③提高植株密度可以通过增加输气通道和提高w(SOC)来促进湿地CH₄排放,黄菖蒲植株密度为150株/m2时,CH₄平均排放通量为(10.31±2.56)mg/(m2·h),比植株密度为56株/m2时高出近30%. 因此,建议在新建和修复河滨湿地的设计和建造过程中,种植芦苇和水葱等通气组织较发达的植物,并在满足湿地修复、生态环境保护和景观营造等要求的前提下,适当控制植株密度,以有效减少CH₄排放.      

盐度对长江河口芦苇湿地甲烷排放的影响

盐度对河口湿地甲烷气体的产生与排放影响重大。为揭示海水入侵对河口湿地CH₄排放的影响,利用静态密闭箱—气相色谱法在2016年4～10月期间对崇明东滩芦苇群落CH₄气体的排放通量进行测定。结果表明:CH₄排放总体表现出春夏季较高,秋冬季较低的季节变化规律;排放通量在0.19～7.68 mg/（m2·h）间波动,4～10月这半年内平均排放通量为3.41 mg/（m2·h）。在一定范围内,较高的盐度抑制CH₄的产生与排放,较低的盐度不足以对CH₄产生抑制作用,甚至会促进CH₄的产生;在高盐环境下,CH₄排放通量与盐度呈现出显著的对数负相关关系。在芦苇群落生长旺盛的初期（4～6月）,CH₄排放通量与温度、光照呈现正相关关系;而在芦苇生长后期（7～10月）则呈现负相关关系。     

崇明东滩芦苇湿地温室气体排放通量及其影响因素

通过静态箱-气相色谱法对崇明东滩芦苇群落在生长周期内的3种温室气体——CH₄、N₂O和CO₂的排放、吸收特征进行研究. 结果表明:芦苇群落湿地CH₄排放通量受温度影响较大,夏季排放通量明显高于其他季节,年均排放通量为74.46μg/(m2·h);N₂O年均排放通量为2.22μg/(m2·h),冬季排放通量最大;CO₂的吸收率季节变化明显,年均排放通量为-101.93mg/(m2·h). 温度、芦苇植株光合作用及呼吸作用是影响CH₄产生和排放的主要因素;而沉积物氮素不足和限制,则是促使芦苇群落表现出对N₂O吸收的原因;芦苇的光合作用及土壤呼吸作用随温度和季节的变化是控制芦苇湿地CO₂的排放和吸收的主要因素. 芦苇植株发达的通气组织是CH₄和N₂O由大气向沉积物扩散的通道,同时分子扩散过程也是沉积物产生的CH₄、N₂O和CO₂扩散到大气中的途径和方式.      

地下水位和土壤温度对若尔盖泥炭地CH4排放的影响

为了深入分析环境因子对湿地CH₄排放产生的影响,利用中型试验生态系对若尔盖典型泥炭地开展地下水位和土壤温度控制试验,比较不同条件下泥炭地2012年生长季(5—10月)CH₄排放通量的月变化情况. 结果表明:高水位(土壤表面0 cm)下CH₄排放通量最高,中水位(地表以下10 cm)下次之,低水位(地表以下20 cm)下最低;其中,10月CH₄排放通量变化不明显,不同地下水位下泥炭地的CH₄排放通量均在7月达到最大值,并且均呈明显的单峰曲线,高、中、低地下水位下CH₄排放通量平均值分别为6.263 3、4.754 4和3.949 8 mg/(m2·h). 而且,在一定温度范围内,不同地下水位条件下CH₄排放通量随土壤温度的升高均呈指数式增长. 其中,高水位下CH₄排放通量对土壤温度变化最为敏感,中水位下次之,低水位下相对最不敏感. 研究显示,若尔盖泥炭地CH₄排放通量表现出明显的季节性变化差异,并且季节性升温和涨水均会促进CH₄排放通量的增加.      

植物净化富营养水体过程中温室气体变化及影响因素初探

本文通过人为添加氮磷模拟水体富营养化,选用常见水生植物设置5个植物净化处理,研究水生植物在净化富营养化水体的过程中,温室气体(CO₂、CH₄、N₂O)的排放特征以及影响因素.结果表明:5个处理的水-气界面CO₂排放通量在19.12～395.19mg/(m²·h)之间,呈现先降后升的变化趋势.5个处理的水-气界面CH₄、N₂O排放通量在0.009～0.96mg/(m²·h)、0.024～6.48mg/(m²·h)之间,均呈现先升后降再升的变化趋势.多元逐步回归方程结果表明,底泥溶解性有机碳(DOC)、底泥氨氮(NH₄⁺-N)、水体pH值、水体溶解氧(DO)、水体叶绿素a(Chl.a)共同影响着水-气界面CO₂、CH₄、N₂O排放通量,其中底泥溶解性有机碳(DOC)对水-气界面CO     

养殖塘CH4冒泡通量观测研究

为研究安徽省养殖塘CH₄冒泡通量的排放特征，作者采用倒置漏斗法对2个养殖塘CH₄冒泡通量进行了为期2年的观测研究。结果表明，CH₄冒泡通量有显著的季节变化特征，表现为夏季(233.90 mg/(m²·d))>春季(87.22 mg/(m²·d))>秋季(56.65 mg/(m²·d))>冬季(0.09 mg/(m²·d))。且CH₄冒泡通量存在空间差异，中间区域的CH₄冒泡通量显著高于岸边区域。在日尺度和季节尺度上，CH₄冒泡通量与20 cm水温显著正相关，与气压显著负相关，但季节尺度上的相关性较日尺度更好。虽然养殖塘面积较湖泊小很多，但其CH₄冒泡通量较湖泊高一个数量级以上。     

巢湖不同富营养化区域甲烷排放通量与途径

为了更好的认识不同富营养化区域甲烷（CH₄）排放通量及途径的时空异质性,本文以我国典型富营养化浅水湖泊-巢湖为研究对象,设置西北湖湾、西湖心和中湖心3个研究点位,采用漂浮通量箱和经验模型分析等方法对其水-气界面CH₄排放通量与途径进行季节性研究.结果表明水体与沉积物中CH₄溶存浓度、水-气界面CH₄排放通量同水体营养盐水平及叶绿素a含量的空间变化相一致,且均表现为西北湖湾最高,其水体CH₄溶存浓度为（0.178 ±0.002）~（1.123 ±0.026）μmol/L、表层沉积物中CH₄含量为（70.5 ±30.7）~（189 ±97.0）μmol/L、CH₄总排放通量为（50.1 ±2.93）~（1232 ±28.6）μmol/（m²·h）;3个点位的CH₄扩散通量占总排放量的7.3%~42.9%,冒泡通量占57.1%~92.7%,富营养化程度最高的西北湖湾冒泡通量占比最高;CH₄排放通量大小与途径同时受季节变化影响,夏季CH₄冒泡与总排放通量均最高,其中冒泡对总通量的贡献高达98.1%.     

排水对若尔盖高寒沼泽CO2和CH4排放通量的影响

建立3块标准样地（天然沼泽、1990s和1970s排水沼泽）,于2014年生长季期间,采用静态箱-快速温室气体分析仪野外原位观测CO₂和CH₄排放通量.结果表明：沼泽排水增加了土壤温度（5,20,45cm）,但降低沼泽水位;1990s[（680±329）mg CO₂/（m²·h）]和1970s排水沼泽[（973±234）mg CO₂/（m²·h）]生态系统CO₂排放通量分别较天然沼泽增加了200%和330%,但CH₄排放通量[（0.78±0.52）mg CH₄/（m²·h）]和[（-0.01±0.02）mg CH₄/（m²·h）]较天然沼泽分别降低了90%和100%;综合考虑两者排放通量,1990s[（186±89）mg C/（m²·h）]和1970s排水沼泽[（265±64）mg C/（m²·h）]生态系统碳（C）排放通量较天然沼泽分别增加了180%和300%.天然沼泽、1990s和1970s排水沼泽生态系统CO₂排放通量与5cm土壤温度存在显著正相关,而仅1990s排水沼泽生态系统CO₂排放通量与水位存在显著负相关.天然沼泽生态系统CH₄排放通量与土壤温度（5,20,45cm）存在显著正相关,但1970s排水沼泽生态系统CH₄排放通量与土壤温度（20,45cm）存在显著负相关,1990s排水沼泽生态系统CH₄排放通量与水位存在显著正相关.沼泽排水显著增加了若尔盖高寒沼泽生态系统C排放通量,降低了沼泽C汇功能,可能增强区域气候变暖.     

规模化人工湿地的温室气体释放通量

基于规模化人工湿地工程——武河湿地的野外原位监测试验,采用静态箱-气相色谱法研究了人工湿地中温室气体(N₂O、CH₄和CO₂)释放特征与规律. 结果表明,武河湿地工程的N₂O和CH₄平均释放通量分别为14.35和35.54 mg/(m2·d),表现为N₂O、CH₄的释放源,但其释放通量低于城市污水处理厂;湿地(主要包括水体和土壤生物呼吸)的CO₂平均释放通量为2 889.4 mg/(m2·d). 人工湿地沿程N₂O、CH₄和CO₂释放特征有所不同,平均释放通量呈先升后降规律,在布水渠处N₂O释放通量最大,为51.92 mg/(m2·d);而6#溢流堰处CH₄释放通量最大,为182.03 mg/(m2·d). 人工湿地中温室气体释放亦具有明显的季节变化规律,表现为春夏季高于秋冬季.      

呼吸型填埋场覆盖层技术研究Ⅱ：呼吸型覆盖层的甲烷氧化性能研究

基于前期研究构建的热动力自充氧装置,研究了模拟呼吸型自充氧覆盖层（2.4m×0.85m×3.6m,长×宽×高）对甲烷氧化性能的影响.结果表明,在垃圾快速降解期内,40cm厚自充氧覆盖层中的O2含量始终保持在15%以上,释放到外界的填埋气中CH4含量在检出限以下,与传统覆盖层技术相比,CH4含量最大可削减76.5%.通气...     

氨三乙酸促进厌氧消化产甲烷的动力学研究

以乙酸钠为碳源,考察了金属离子螯合剂氨三乙酸(NTA)对厌氧发酵产甲烷过程的影响.结果表明,NTA对厌氧消化具有明显的促进作用,在乙酸钠浓度为6,7,10,12g/L,消化温度为35 ℃的条件下,10μmol/L NTA的添加,分别使甲烷产量提高了30.0%,45.2%,64.3%和95.9%.此时, NTA促进厌氧消化反应的动力学常数V max和半饱和常数Ks分别由84.8mLCH4/(gSS×d)和2.95gNaAc/L提高到147. 1mLCH4/(gSS×d)和7.57g NaAc/L.螯合剂NTA的添加,使微量元素的生物可利用性得到增强,产甲烷菌对乙酸盐的利用率相应提高.     

填埋垃圾和渗滤液中CH4氧化菌的丰度研究

应用实时荧光定量聚合酶链式反应(Real-Time Quantitative Polymerase Chain Reaction,简称实时荧光定量PCR)技术对填埋场垃圾和渗滤液中CH₄氧化菌的pmoA基因进行定量分析. 结果表明:实时荧光定量PCR技术可用于渗滤液和垃圾中CH₄氧化菌的定量分析. 对于厌氧和准好氧填埋,初期渗滤液中CH₄氧化菌的数量均高于稳定期;准好氧填埋体渗滤液中CH₄氧化菌的数量均高于厌氧填埋体. 准好氧填埋垃圾中CH₄氧化菌的数量随着填埋龄的增加呈先增加后降低的趋势,并在填埋后的9个月左右达到最大值,与准好氧填埋体CH₄产生的规律相似. 同时,准好氧填埋垃圾中CH₄氧化菌的数量随着距导气管距离的增加而降低,但不同填埋时期的变幅不同,与准好氧填埋体O₂和CH₄的迁移规律有关. 此外,对渗滤液和垃圾样品的研究表明,准好氧填埋体垃圾填埋层内部存在大量的CH₄氧化菌,具有显著的CH₄氧化能力.      

Methanotrophic community structure of aged refuse and its capability for methane bio-oxidation

Aged refuse from waste landfills closed for eight years was examined and found to contain rich methanotrophs capable of biooxidation for methane. Specially, community structure and methane oxidation capability of methanotrophs in the aged refuse were studied. The amount of methanotrophs ranged 61.97 103–632.91 103 cells/g (in dry basis) in aged refuse from Shanghai Laogang Landfill. Type I and II methanotrophs were found in the aged refuse in the presence of sterilized sewage sludge and only Type I methanotrophs were detected in the presence of nitrate minimal salt medium (NMS). The clone sequences of the pmoA gene obtained from the aged refuse were similar to the pmoA gene of Methylobacter, Methylocaldum, and Methylocystis, and two clones were distinct with known genera of Type I methanotrophs according to phylogenetic analysis. Aged refuse enriched with NMS was used for methane biological oxidation and over 93% conversions were obtained.     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层中的工程应用(Ⅱ):基质选择性及长效性

针对已筛选获得的甲烷氧化混合菌,选取填埋场覆盖土(LCS)、矿化垃圾(AR)和塘渣(TZ)3种填埋场周边易得的材料为供试生存基质,从基质选择性及长效性角度进行了甲烷减排应用条件的探究及使用效能评估.结果表明,在TZ、LCS、AR、TZ-AR和LCS-AR这5种生存基质中,TZ-AR最适合甲烷氧化混合菌的生长,且TZ与AR的复配比例以5∶5为最佳.甲烷氧化混合菌在TZ-AR的粒径≤4 mm和含水率为20%时具有最高甲烷氧化能力.一次性接种甲烷氧化混合菌在静态体系中的最佳使用有效期为31 d.其在接种量为0.08、0.16、0.20 m L·g-1和0.25m L·g-1时甲烷氧化速率无明显差异,从工程应用角度而言,8%的接种量为最佳.     

长期不同施肥对暗棕壤甲烷氧化菌群落特征与功能的影响

不同施肥方式对我国旱地农田土壤甲烷氧化影响的微生物机制尚不明确.本研究利用PCR-DGGE和实时荧光定量PCR技术,结合甲烷氧化速率和土壤性质测定,探索了长期不同施肥条件下暗棕壤的"土壤性质-甲烷氧化菌群落特征-土壤甲烷氧化速率"关系.结果表明,有机肥和无机肥配施处理显著降低了土壤甲烷氧化速率,降幅为61.2%,而单独施用有机肥或无机肥对暗棕壤甲烷氧化速率的影响不显著;与对照相比,有机肥处理土壤甲烷氧化菌多样性指数增加91.9%,有机肥和无机肥配施处理增加102.5%,而单施无机肥后土壤甲烷氧化菌多样性指数变化不明显;有机肥处理土壤的pmoA基因丰度显著增加,平均pmoA基因丰度为不施用有机肥的12.7倍;土壤甲烷氧化速率与甲烷氧化菌的群落结构和比活性呈显著正相关,相关系数分别为0.363和0.684,但与甲烷氧化菌群落丰度和多样性不相关;甲烷氧化菌的群落结构和比活性与土壤pH值、全氮和有机质含量呈显著正相关.上述结果说明,长期不同施肥可以通过改变暗棕壤的pH值、全氮和有机质含量等土壤性质,改变甲烷氧化菌群落结构和比活性,进而影响土壤甲烷氧化速率;有机肥和无机肥配施土壤甲烷氧化菌多样性和丰度大幅度增加,而甲烷氧化速率却显著降低,说明有机肥和无机肥配施土壤中只有部分微生物发挥了甲烷氧化活性,但有待进一步研究.     

ABR启动期运行效能及互营产甲烷菌群的分布特征

为探讨厌氧折流板反应器（ABR）启动期运行效能和互营产甲烷菌群的空间分布特征,考察了ABR反应器处理制糖废水启动期的运行特征,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）技术分析了互营产甲烷菌群在ABR各格室的分布规律.结果表明,在污泥驯化阶段,ABR的COD去除率为61.5%,出水挥发酸总量高达1808mg/L.经过2个阶段的调控运行后,ABR出水挥发酸明显降低,甲烷含量增加至55%以上,COD去除率达到了94.8%.而且ABR第2~4格室形成了沉降性能良好的颗粒污泥.PCR-DGGE检测结果表明,该ABR系统中的主要产氢产乙酸菌为Syntrophobacter和Pelotomaculum,主要分布在ABR系统第3,4格室.ABR第1,2格室的产甲烷菌主要为耐酸的氢营养型产甲烷菌（Methanoregula和Methanosphaerula）,而乙酸营养型产甲烷菌（Methanosaeta和Methanothrix）主要分布在第3,4格室.ABR系统中产甲烷菌的多样性要明显高于产氢产乙酸菌,说明当系统受到冲击时,产氢产乙酸作用比产甲烷作用更易成为限速步骤.     

Diversity of methanotrophs in Zoige wetland soils under both anaerobic and aerobic conditions

Zoige wetland is one of the most important methane emission centers in China. The oxidation of methane in the wetland a ects global warming, soil ecology and atmospheric chemistry. Despite their global significance, microorganisms that consume methane in Zoige wetland remain poorly characterized. In this study, we investigated methanotrophs diversity in soil samples from both anaerobic site and aerobic site in Zoige wetland using pmoA gene as a molecular marker. The cloning library was constructed according to the pmoA sequences detected. Four clusters of methanotrophs were detected. The phylogenetic tree showed that all four clusters detected were a liated to type I methanotrophs. Two novel clusters (cluster 1, cluster 2) were found to relate to none of the recognized genera of methanotrophs. These clusters have no cultured representatives and reveal an ecological adaptation of particular uncultured methanotrophs in Zoige wetland. Two clusters were belonging to Methylobacter and Methylococcus separately. Denaturing gradient gel electrophoresis gel bands pattern retrieved from these two samples revealed that the community compositions of anaerobic soil and aerobic soil were di erent from each other while anaerobic soil showed a higher metanotrophs diversity. Real-time PCR assays of the two samples demonstrated that aerobic soil sample in Zoige wetland was 1.5 times as much copy numbers as anaerobic soil. These data illustrated that methanotrophs are a group of microorganisms influence the methane consumption in Zoige wetland.     

UASB反应器中产甲烷菌对温度胁迫的响应

采用间歇培养方式探讨了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中不同营养类型产甲烷菌对温度胁迫的响应规律.研究结果表明,产甲烷螺旋菌(Methanospirillum)是该反应器的主要氢营养型产甲烷菌,而主要乙酸营养型产甲烷菌为产甲烷丝状菌(Methanosaeta).在35℃条件下,氢营养型和乙酸营养型产甲烷菌的累计甲烷产量分别为24.7,11.7mL,而最大产甲烷速率分别为0.74,0.18mL/h.当温度从35℃分别降低至30,25,20,15℃时,导致氢营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了14.2%,34.0%,47.0%,57.5%,而乙酸营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了5.1%,23.9%,45.3%,95.7%.由此可见,在20~30℃时氢营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感,而在15℃以下时乙酸营养营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感.