典型草地土壤好氧甲烷氧化的微生物生态过程

【目的】针对我国甘肃三个典型生态区草地土壤(玛曲MQ、临泽LZ和环县HX),研究其甲烷氧化潜力、甲烷氧化菌(methane-oxidizingbacteria,MOB)丰度及可能存在的群落分异规律。【方法】通过原位分析、室内高浓度甲烷模拟培养三种典型土壤及实时荧光定量、高通量测序的方法研究甲烷氧化菌标靶基因pmoA序列的组成及其丰度变化规律。【结果】三种典型草地土壤的原位甲烷氧化菌的丰度存在显著差异,表现为MQ>HX>LZ,其数量范围为为0.18–6.86×10^7g/d.w.s.;甲烷氧化潜力也表现出类似规律,其通量为109–169mg/(m^2·h);甲烷氧化潜力与原位土壤中甲烷氧化菌丰度有正相关。三种草地土壤甲烷氧化菌存在明显的空间异质性,采用高通量测序的方法,发现三种草地原位土壤中的优势类群为USCγ(Upland Soil Cluster gamma,USCγ);然而,室内高浓度甲烷氧化过程中,传统的甲烷氧化菌均发生明显增加,MQ土壤中TypeⅡ的Methylocystis为优势类群,而LZ和HX土壤的优势类群均为TypeⅠ型Methylosarcina。【结论】这些研究结果表明,我国甘肃典型草地土壤中也存在难培养的大气甲烷氧化菌和经典的可培养甲烷氧化菌,这些微生物极可能氧化极低浓度的大气甲烷,也可能利用闭蓄于土壤中的高浓度甲烷生长。未来应采用先进技术原位观测大气甲烷氧化过程并分离相应微生物类群,研究草地土壤甲烷氧化菌地理分异规律及其环境驱动机制。     

低氧生境中好氧甲烷氧化菌的缺氧耐受机理及种群结构研究进展

甲烷生物氧化在全球大气甲烷平衡和温室气体的控制中起着重要作用.氧气是甲烷生物氧化过程中的重要影响因素之一.生境中氧浓度不仅影响好氧甲烷氧化菌的种群结构、活性及甲烷碳的分配,而且好氧甲烷氧化菌在不同氧浓度下具有不同的代谢途径.理解低氧生境中好氧甲烷氧化菌的缺氧耐受机理和甲烷生物氧化过程,对甲烷驱动型生态系统的碳循环和生物多样性有着重要意义.本文以好氧甲烷氧化菌为对象,综述了低氧生境中好氧甲烷氧化菌的活性及其种群结构、好氧甲烷氧化菌的缺氧耐受机理以及低氧生境中甲烷氧化菌与非甲烷氧化菌的关系,并对今后的研究方向进行了展望.     

好氧甲烷氧化菌生态学研究进展

好氧甲烷氧化菌是一群以甲烷为碳源和能源的细菌。好氧甲烷氧化菌在自然环境中分布广泛,人类已从土壤、淡水和海洋沉积、泥炭沼泽、热泉、海水和南极环境分离到甲烷氧化菌的纯培养。好氧甲烷氧化菌可分为14个属,包括研究较为深入的隶属于变形菌门Alpha和Gamma纲的细菌,以及属于疣微菌门的极端嗜热嗜酸甲烷氧化菌。最近,好氧甲烷氧化菌还被发现存在于苔藓类植物（尤其是泥炭苔藓）共生体中,兼性营养好氧甲烷氧化菌也被发现。本文通过对好氧甲烷氧化菌的分类、生理生化特征、分子生物学检测方法以及微生物生态学中的研究成果的总结与分析,以及对甲烷氧化菌研究所面临的问题进行讨论,以期为今后进一步开展好氧甲烷氧化菌及其在碳循环中的作用研究提供参考。     

土壤CH_4氧化与土壤甲烷营养菌及主要研究方法

甲烷营养菌(methanotrophs)是一类以CH_4为唯一碳源和能源的细菌,广泛分布在水稻土、森林土、苔原土、泥炭地、海洋与湖泊底泥、堆肥、垃圾填埋场及地下水等环境中,并作为大气甲烷(CH_4)唯一的生物汇(库),在全球温室效应研究中备受关注.目前,关于土壤甲烷营养菌的研究主要包括菌株的多样性、生态分布以及环境因素对微生物氧化CH_4过程的影响.本文从甲烷营养菌的分类入手,概述稻田土壤CH_4的氧化与释放、旱地土壤CH_4的氧化以及影响土壤CH_4氧化的因素等方面的研究进展,同时介绍了土壤甲烷营养菌研究领域的几种主要的分子研究技术,以期为甲烷营养菌相关的研究提供参考.     

不饱和土壤CH4的吸收与氧化

不饱和土壤是已知唯一的 CH4 生物壑。综述了不饱和土壤 CH4 的吸收、氧化过程及其影响因素。不饱和土壤中 CH4 氧化的临界浓度低 ,因而甲烷氧化菌可氧化大气 CH4 并将其当作唯一的碳源和能源。土壤 CH4 吸收率与土壤湿度通常呈负相关关系。土壤湿度过高 ,大气 CH4 和 O2 向土壤中扩散受阻 ;或土壤湿度过低引起水分胁迫均导致甲烷氧化菌活性下降。NH 4对土壤中 CH4 氧化的抑制作用可归结为 NH3和 CH4 在甲烷单氧酶水平上的竞争、由氧化作用向硝化作用的转移以及 NH 4氧化生成的 NO- 2 的毒性。NH 4对 CH4 氧化的抑制作用与土壤有效氮含量成正比。各类氮肥对 CH4 氧化抑制作用 :化肥 >有机肥 ;铵态氮肥 >尿素。 NO- 3对 CH4 氧化没有抑制效应。阳离子代换量 (CEC)高的土壤 NH 4对 CH4 氧化的抑制作用轻。 CH4 氧化菌对大气 CH4 的高亲和力及 CH4 氧化所需较低的活化能导致其温度系数 Q1 0 较小。地温较低时 ,土壤氧化 CH4 的能力随温度升高而升高。当地温高于 CH4 氧化的最佳温度时 ,CH4 氧化菌难以与硝化细菌及其它微生物竞争利用土壤空气中的 O2 ,导致其活性降低。甲烷氧化菌对 p H值变化不敏感。团粒结构较好的壤土可保护 CH4 氧化菌免受干扰。未受干扰的森林土壤 CH4 氧化率的峰值一般出现在亚表     

微生物胞外长距离电子传递网络研究进展

[目的] 解析一株从黄河三角洲湿地甲烷氧化富集物中分离获得的甲烷氧化菌伴生菌的生理学及电化学特性,并探究该菌株对甲烷氧化过程的影响。[方法] 使用高通量测序技术解析甲烷氧化富集物的菌群结构,采用稀释涂布法、平板划线法分离甲烷氧化菌的伴生菌,通过16S rRNA基因测序技术进行菌株初步鉴定。利用扫描电子显微镜观察菌株形态,并通过气相色谱（gas chromatography,GC）检测伴生菌利用甲烷情况及对甲烷氧化菌氧化甲烷效率的影响。采用双室微生物燃料电池（microbial fuel cells,MFCs）及差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry,DPV）检测菌株的电化学活性。[结果] 黄河三角洲湿地土壤甲烷氧化富集物主要的好氧甲烷氧化菌为甲基杆菌属Methylobacter,同时还发现一些伴生菌。分离得到一株甲醇利用菌P7,其16S rRNA基因序列与恶臭假单胞菌Pseudomonasputida的相似性达99.79%。扫描电镜结果显示该菌株为杆状,长约1.5-2.5μm,宽度约为0.5μm。GC检测结果显示,该菌株不能利用甲烷,但与甲烷氧化菌共培养时,可以促进甲烷氧化（P<0.05）。双室MFCs检测结果显示该菌株具有电活性,最大电流输出密度为28 mA/m²,DPV检测结果显示该菌株主要的氧化峰和还原峰分别位于-0.17 V和-0.25 V。[结论] 本研究从黄河三角洲湿地甲烷氧化富集物中获得一株具有电活性的甲烷氧化菌的伴生菌恶臭假单胞菌Pseudomonas putida P7,该菌株可以促进甲烷氧化。本研究加深了对甲烷氧化过程中伴生菌的生理学特性及功能的认识。     

基于甲烷氧化菌的脱氮技术研究进展

甲烷氧化菌利用甲烷作为唯一碳源和能源,在氧化甲烷的过程中能有效地实现脱氮,该过程分为好氧甲烷氧化耦合反硝化(aerobic methane oxidation coupled to denitrification,AME-D)和厌氧甲烷氧化耦合反硝化(anaerobic methane oxidation coupled to denitrification,ANME-D),在碳循环和氮循环的研究中具有重要意义。本文通过总结近年来有关甲烷氧化菌的分类与分布,阐述AME-D和ANME-D的基本原理、影响因素和应用情况,提出相应的研究方向,以期为甲烷氧化菌在污水脱氮中的应用提供参考。     

好氧甲烷氧化菌及其工程应用进展

好氧甲烷氧化菌能以甲烷作为碳源和能源,对全球甲烷消除的贡献率高达10%–20%,还能有效地合成有价值的甲烷来源生物产品。文中介绍了好氧甲烷氧化菌的甲烷氧化代谢机理,总结了好氧甲烷氧化菌在填埋场甲烷减排、煤矿通风气治理、合成生物产品、油气藏勘探等领域的实际应用功效和研究热点,即污染物去除和产品合成效率的影响因素。基于对甲烷氧化菌规模化培养方法的研究,本文认为加强培养过程中代谢产物对甲烷氧化菌活性和种群结构影响的研究,以及开发经济高效的替代培养基和培养技术的研究将有利于好氧甲烷氧化菌生物技术的应用推广。     

温度对甲烷产生和氧化的影响

综述了温度对土壤产甲烷和氧化甲烷的影响及其机制．温度主要通过土壤中产甲烷菌的优势菌发生更替来改变土壤的产甲烷能力．较高温条件下产甲烷菌以乙酸和H2／CO2都能利用的甲烷八叠球菌(Methanosarcinaceae)为主,使得土壤处于较高的产甲烷状态．较低温条件下产甲烷菌以只能利用乙酸的甲烷毛菌(Methanosaetaceae)为主,土壤形成甲烷的能力相对较弱．温度提高可以显著地增加甲烷的产生,Q10为1．5-28,平均4．1,但是温度效应明显受控于底物浓度,提高底物浓度降低了产甲烷菌对底物的亲和力,相应地增加了度效应,因此在较低温条件下提高底物浓度可以促进甲烷的产生．温度对大气甲烷氧化的影响弱于产甲烷,甲烷氧化菌较少受温度变化的影响,即便在较低温条件下,土壤也具有一定的氧化大气甲烷能力,原因尚不清楚,可能与甲烷氧化菌对大气甲烷具有较高的亲和力有关,有待进一步研究．     

单细胞、显微计数和高通量测序典型水稻土微生物组的技术比较

【目的】比较传统显微计数、单细胞分选和现代分子方法研究典型水稻土微生物组的细胞数量、物种组成及好氧甲烷氧化菌生理生态过程的技术特点。【方法】针对水稻土中可提取微生物细胞(土壤细胞)及其DNA(细胞DNA)、单细胞DNA、土壤微生物组总DNA(土壤DNA),利用传统显微计数和实时荧光定量PCR(qPCR)方法,研究水稻土好氧甲烷氧化过程中微生物数量的变化规律;通过高通量测序16S rRNA基因技术,研究微生物物种组成的变化规律。【结果】水稻土微生物组的传统显微计数结果显著低于现代分子方法 qPCR,最高可达3个数量级。基于DAPI染色、CARD-FISH、细胞DNA及土壤DNA的qPCR定量结果分别为:(5.8–7.4)×10~7、(1.7–1.9)×10~7、(2.8–6.3)×10~8、(1.5–2.7)×10~(10) cells/g。基于qPCR的水稻土好氧甲烷氧化菌数量为1.1×10~7 cells/g,比传统显微计数方法高3个数量级。然而,当水稻土氧化高浓度甲烷后,所有方法均发现甲烷氧化菌显著增加,增幅分别为54倍(CARD-FISH)、388倍(细胞DNA)和45倍(土壤DNA)。在微生物分类学门的水平,细胞DNA(25个门)与土壤DNA(30个门)结果基本一致,均能较好地反映水稻土微生物组的群落结构,而单细胞DNA尽管检测到20个门,但偏好性较大,95%以上均为Proteobacteria。在微生物分类学属的水平,土壤DNA、细胞DNA和单细胞DNA分析均表明背景土壤含有7个好氧甲烷氧化菌的pmo A基因型,但氧化高浓度甲烷后,γ-Proteobacteria的2个属Methylobacter/Methylosarcina则成为优势类群。【结论】土壤微生物的传统显微计数(DAPI和CARD-FISH)结果显著低于qPCR技术,相差1–3个数量级。qPCR定量土壤DNA和细胞DNA表明:水稻土可提取微生物细胞约占土壤微生物总量的2%左右,而好氧甲烷氧化菌的提取效率最高可达6%。细胞DNA在门水平能较好地反映水稻土微生物组成,但在属水平和土壤DNA有着较大差异。Planctomycetes微生物门的细胞易被提取,Acidobacteria门的微生物则较难被提取,而单细胞分选技术则偏好Proteobacteria。尽管传统方法和分子技术的分辨率明显不同,但均能较好地表征水稻土甲烷氧化的微生物生理生态过程。未来土壤微生物组研究应更加重视科学问题本身对技术手段的内在需求,最大限度发挥各种先进技术的优势。