土壤大气甲烷氧化菌研究进展

土壤微生物催化是大气中痕量甲烷(约1.8ppmv)氧化的唯一生物途径。目前的研究表明好氧土壤中存在专性和选择性大气甲烷氧化菌2种类型:前者(USCα和USCγ)广泛分布于各种好氧旱地土壤,其甲烷氧化酶对低浓度甲烷亲和力极高,属真正的寡营养型,但至今尚未获得该种类的纯培养菌株。后者属于传统甲烷氧化菌Methylocystis/Methylosinus属,广泛分布于各种周期性排放高浓度甲烷的土壤环境中。该属大部分菌株含有亲和力不同的2套甲烷单加氧酶系统,其中的高亲和力甲烷单加氧酶使这些菌株可以在相当长的时间内(3个月)保持大气浓度甲烷氧化活性,但其生长和繁殖还需依赖于土壤内部阶段性产生的高浓度甲烷。本文详细阐述了2类大气甲烷氧化菌的发现历程及其可能的生存策略,最后系统梳理了几种关键的环境因子(土壤温度及湿度、土壤pH、植被、土地利用及氮输入)对大气甲烷氧化菌群落结构和甲烷氧化活性的影响,提出并展望了土壤大气甲烷氧化菌研究的重要方向。     

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     

贡嘎山海拔梯度上不同植被类型土壤甲烷氧化菌群落结构及多样性

甲烷是仅次于CO₂的第二大温室气体.森林表层土壤中甲烷好氧氧化作用是大气甲烷重要的汇,在碳循环和减缓全球变暖方面起着重要作用.研究不同植被类型土壤中甲烷氧化菌的群落结构及多样性,有助于更好地理解植被演替、人为干扰和不同土地利用背景下甲烷氧化菌群落组成和多样性变化与地上植被之间的相互关系.本研究在贡嘎山东坡海拔梯度上的4种不同植被类型中采集了92个土壤样品,利用Miseq测序技术和生物信息学方法评估了甲烷氧化菌群落组成及多样性在4种不同植被类型间的变化,并探讨了其变异的潜在原因.结果表明: 常绿阔叶林和针阔叶混交林土壤中甲烷氧化菌的群落结构较为相似,暗针叶林和灌丛草甸土壤甲烷氧化菌的群落结构较为相似.4种不同植被生态系统中,针阔叶混交林土壤中的甲烷氧化菌α多样性显著高于其他3种植被生态系统(P＜0.001),且暗针叶林和灌丛草甸土壤中甲烷氧化菌β多样性显著高于常绿阔叶林和针阔叶混交林(P＜0.001).Spearman相关分析表明,不同类型甲烷氧化菌的相对丰度对环境变化的响应模式不同.造成α多样性差异的主要因子可能是土壤总氮、电导率和土壤温度.偏Mantel检验分析和冗余分析(RDA)表明,常绿阔叶林和针阔叶混交林土壤甲烷氧化菌多样性受环境因子的影响较大,而暗针叶林和灌丛草甸土壤中甲烷氧化细菌多样性变化可能存在其他潜在的影响因素或者机制.降水可能是造成低海拔常绿阔叶林和针阔叶混交林与高海拔暗针叶林和灌丛草甸土壤甲烷氧化细菌群落结构差异的主要原因.贡嘎山海拔梯度上不同植被类型土壤中甲烷氧化菌的群落结构和多样性变化可能主要是由于土壤理化性质和气候变化综合作用的结果.     

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。     

甲烷氧化菌研究进展

甲烷氧化菌以甲烷为其唯一的碳源和能源 ,在全球大气甲烷平衡中起着重要的作用 ,它还可以降解卤代化合物 ,在污染治理方面具有潜在价值。本文从甲烷氧化菌的分类出发 ,对甲烷氧化菌氧化甲烷的机理及影响因素、甲烷氧化菌的生理、生态分布及检测方法、甲烷氧化菌降解有机污染物的潜在应用等作一综述 ,分析目前研究中存在的问题 ,并指出今后应加强研究的方面。     

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。     

甲烷氧化菌及甲烷单加氧酶的研究进展

甲烷氧化菌是以甲烷作为唯一碳源和能源进行同化和异化代谢的微生物,其关键酶之一是甲烷单加氧酶(MMOs),可以在氧气的作用下催化甲烷等低碳烷烃或烯烃羟基化或环氧化,甲烷氧化菌在自然界碳循环和工业生物技术中具有重要的应用价值.因此,近20年来对于甲烷氧化菌和MMOs的研究一直倍受生物学家的关注.以下从现代生物技术的角度,对近年来国内外在甲烷氧化菌的分类与分布,MMOs的结构与功能、甲烷氧化菌与MMOs的基因工程等方面取得的研究成果进行了总结,全面综述了甲烷氧化菌及MMOs的应用基础研究现状,并对其今后的研究和应用方向提出了展望.     

甲烷氧化过程中铜的作用研究进展

甲烷生物氧化在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要的角色,而铜是甲烷生物氧化过程中的重要影响因子.一方面,铜是调控不同类型甲烷单加氧酶表达的主要影响因子,是组成颗粒性甲烷单加氧酶的必需金属元素;另一方面,在自然环境体系中,铜含量及其形态的变化对甲烷氧化菌的分布、代谢甲烷和非甲烷类有机化合物的能力以及甲烷氧化菌的特异性铜捕获系统也会产生较大影响.准确把握铜在甲烷生物氧化过程中发挥的作用将有助于全面了解甲烷生物氧化过程,进而更好地指导甲烷氧化微生物在温室气体减排及非甲烷有机物污染修复中的应用.本文主要从铜的角度,概述了铜对甲烷氧化菌的分布和活性的影响,介绍了铜在调控甲烷单加氧酶的表达和活性以及调节甲烷氧化菌铜捕获系统方面的作用,并展望了其研究方向.     

大气甲烷的源和汇与土壤氧化 (吸收)甲烷研究进展

甲烷是主要的温室气体之一,对温室效应的贡献仅次于CO₂,而每分子甲烷温室增温潜力是CO₂的21倍.因此确定全球大气甲烷的源与汇,并对其进行估算、预测已成为目前全球环境变化及温室效应研究的一个热点.本文概述了国内外大气甲烷源与汇研究的进展情况,详述了土壤氧化(吸收)大气与内源甲烷机理及其影响因子(如土地利用情况、环境甲烷浓度、土壤温度、湿度、pH值、孔隙状况等).最后指出,通过在长白山森林垂直分布带开展地带性土壤甲烷氧化(吸收)研究,对估算我国温带至寒带、高山苔原带土壤吸收甲烷总量,乃至全球甲烷汇具有重要意义.     

顺北典型油气藏上方土壤甲烷氧化菌菌群特征及其勘探意义

【目的】甲烷氧化细菌(MOB)长期以来一直被用作石油和天然气勘探的重要油气指示菌,其仅能利用甲烷作为唯一碳源。根据甲烷氧化菌菌群特征结合地质剖面可以较好地预测深部油气藏,为石油勘探提供良好的数据支撑。由于传统平板培养法只能针对可培养甲烷氧化菌,方法具有一定局限性。【方法】本文采用分子生物学技术结合地球化学烃类指标研究了顺北典型油气藏上方土壤中甲烷氧化菌的分布。【结果】研究结果显示,油气田上方pmoA基因拷贝数与酸解烃含量具有一定的正相关性,且油气区比背景区高0.5–2个数量级。16SrRNA基因高通量测序和pmoA基因的克隆文库结果显示顺北油藏上方土壤中甲烷氧化菌主要以I型为主,水平剖面中甲烷氧化菌随着离油田距离增加存在I型向II型演变的现象,且Methylomonassp.在背景区与油气区的丰度有较大差异,具有良好的油气指示潜力。【结论】综上所述,长期微渗透过程中甲烷氧化菌(MOB)的菌群特征对预测深层油藏具有一定的指示作用,结合地质剖面和地表烃类可以有效预测有利油藏区域。     

Dependence of Soil Respiration on Soil Temperature and Soil Moisture in Successional Forests in Southern China

The spatial and temporal variations in soil respiration and its relationship with biophysical factors In forests near the Tropic of Cancer remain highly uncertain. To contribute towards an Improvement of actual estimates, soil respiration rates, soil temperature, and soil moisture were measured In three successional subtropical forests at the Dlnghuahan Nature Reserve （DNR） In southern China from March 2003 to February 2005. The overall objective of the present study was to analyze the temporal variations of soil respiration and Its biophysical dependence in these forests. The relationships between biophysical factors and soil respiration rates were compared In successional forests to test the hypothesis that these forests responded similarly to biophysical factors. The seasonality of soil respiration coincided with the seasonal climate pattern, with high respiration rates in the hot humid season （April-September） and with low rates In the cool dry season （October-March）. Soil respiration measured at these forests showed a clear Increasing trend with the progressive succession. Annual mean （± SD） soil respiration rate In the DNR forests was （9.0 ± 4.6） Mg CO2-C/hm^2 per year, ranging from （6.1 ± 3.2） Mg CO2-C/hm^2 per year in early successional forests to （10.7 ± 4.9） Mg CO2-C/hm^2 per year in advanced successional forests. Soil respiration was correlated with both soil temperature and moisture. The T/M model, where the two biophysical variables are driving factors, accounted for 74%-82% of soil respiration variation In DNR forests. Temperature sensitivity decreased along progressive succession stages, suggesting that advanced-successional forests have a good ability to adjust to temperature. In contrast, moisture Increased with progressive succession processes. This increase is caused, in part, by abundant respirators In advanced-successional forest, where more soil moisture is needed to maintain their activities.     

盐碱土壤与非盐碱土壤微生物的抗盐碱特性

为了比较分析盐碱土壤与非盐碱土壤微生物资源抗盐碱性差异,本研究利用含有不同浓度Na2CO3、NaHCO3和pH的培养基对盐碱土壤和非盐碱土壤细菌进行培养计数.结果显示:非盐碱土壤出菌数量随Na2CO3、pH和NaHCO3浓度升高而下降,盐碱土壤细菌出菌数量随着Na2CO3、pH和NaHCO3浓度升高先是升高然后下降,最高值分别出现在200 mmol/L NaHCO3、50 mmol/L Na2CO3和pH 9.0的分离平板上.此外,高Na2CO3、pH和NaHCO3浓度的平板中盐碱土壤出菌数量远高于非盐碱土壤;以上结果可见,耐盐碱细菌资源主要集中分布在盐碱土壤中,在非盐碱土壤中虽有分布,但是仅占有很少一部分.     

Field and Microcosm Studies of Decomposition and Soil Biota in a Cold Desert Soil

In the extreme cold desert soil of the McMurdo Dry Valleys of Antarctica, we studied the effects of changing moisture and temperature on rates of decomposition and the activity and abundance of soil organisms. Our objective was to understand how moisture and temperature structure invertebrate communities and control important ecosystem processes and soil biotic activity in this extreme environment. First, in a field experiment, we manipulated soil moisture and temperature and compared cotton strip decomposition rates at two dry valley sites with different moisture regimes. At both sites, live nematode abundance and activity were unchanged by soil treatments over the 2-year study. In the same plots, the cotton strips did not decompose, despite soil warming and the addition of moisture. The results suggest that biological activity in the McMurdo Dry Valleys is severely limited and that soil organisms are not responsive to improving environmental conditions. Second, in microcosms, we manipulated dry valley soil moisture at a constant temperature of 10°C and measured the rates of key soil processes. Soil respiration, nitrification, and the decomposition of cotton strips were all greater in dry valley soils that were wetted to 10% moisture content, as compared to soils at 0.6%. These results indicate that the decomposition potential for dry valley soils is high when moisture and temperature limitations are removed. In the field, however, this process was extremely slow, and biota did not respond to improving environmental conditions. Soil processes appear to be limited primarily by the extreme desiccation of the dry valleys. Ecosystems processes are likely restricted to the brief periods following infrequent snowfall, melt, and soil wetting that permit the activity of soil microbes and biota. Received 23 May 2001; Accepted 7 September 2001.