若尔盖退化泥炭地土壤原核微生物群落结构对水位恢复的短期响应

退化泥炭地的恢复是目前受关注的重要环境问题。若尔盖退化泥炭地原核微生物群落结构对水位恢复的早期响应可以为其生态恢复提供理论依据。为探究原核微生物群落结构对水位恢复的短期响应, 该研究以若尔盖退化泥炭地为研究对象, 设置水位恢复(10和30 cm)和对照组(-10 cm), 进行了1年野外原位水位恢复试验。采集0-15 cm土壤样品, 测定土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)含量和pH等化学性质, 采用16S rRNA基因高通量测序技术分析微生物群落结构。结果表明: 水位恢复一定程度上能提高SOC、TN、TP含量及其化学计量比, 但与对照组差异不显著。主要优势微生物在门水平为酸杆菌(Acidobacteria)、变形菌(Proteobacteria)和疣微菌(Verrucomicrobia)。短期水位恢复(10和30 cm)对土壤原核微生物的α多样性没有显著影响, 而只是显著降低疣微菌和Spartobacteria的相对丰度, 增加了产甲烷菌种类。疣微菌和Spartobacteria相对丰度与水位和土壤pH呈显著负相关关系。退化泥炭地水位恢复过程中原核微生物群落结构对C:P、N:P和SOC含量响应较为敏感。综上, 短期水位恢复没有改变原核微生物α多样性, 而主要降低了疣微菌和Spartobacteria的相对丰度, 增加了产甲烷菌种类, 这将可能导致甲烷产生途径发生变化。土壤C:P、N:P和SOC含量控制了退化泥炭地随短期水位恢复过程中原核微生物群落结构变异。该研究在一定程度上丰富了原核微生物群落结构对短期水位响应的认识。     

青藏高原泥炭地水位下降促进土壤碳积累的影响机制

酚类物质作为泥炭地重要的碳分解抑制剂,植被作为泥炭地关键的碳输入来源,它们在土壤碳(可溶性有机碳(DOC)等)周转过程中都发挥着重要作用。然而,目前关于植被群落结构、酚类物质以及DOC含量对水位波动的响应存在较大争议。因此,为明确泥炭地水位下降对植被群落结构、酚类物质以及DOC含量的影响并探明三者间的潜在联系,以若尔盖高原泥炭地作为研究对象,选取红原县日干乔地区3处不同地下水位泥炭地(水位由高到低依次为S1(-1.9 cm)、S2(-10 cm)、S3(-19 cm)样地),调查不同水位条件下植被群落结构特征,并探究酚类物质及土壤碳含量对水位波动的响应。结果表明:(1)从S1到S3样地水位下降促进土壤DOC显著增加(P<0.05),土壤总碳从S1到S2显著增加(P<0.05),而从S2到S3无显著差异;(2)泥炭地水位下降促使禾本科(发草Deschampsia cespitosa)、莎草科(木里薹草Carex muliensis、乌拉草Carex meyeriana)植物大量出现,植被群落高度显著增加(P<0.05)。植被群落地上生物量由153.67 g/m~2增加至...     

硝酸盐和硫酸盐厌氧氧化甲烷途径及氧化菌群

甲烷属于温室气体,厌氧氧化甲烷有效地减少了大气环境中甲烷的含量。依据吉布斯自由能变,以SO42、Mn4+、Fe3+、NO3等作为电子受体,厌氧条件下甲烷可以转化为CO2。重点阐述以SO42和NO3为电子受体时甲烷厌氧氧化的机理、反应发生的环境条件以及甲烷厌氧氧化菌的特点。针对目前研究存在的主要问题,提出了今后的发展方向。SO42为电子受体时,甲烷厌氧氧化的可能途径包括:逆甲烷生成途径、乙酰生成途径以及甲基生成途径。甲烷的好氧或厌氧氧化协同反硝化是以NO3为电子受体的甲烷氧化的可能途径。环境中的甲烷、硫酸盐或硝酸盐的浓度,有机质的数量,以及环境条件对甲烷的厌氧氧化有显著影响。     

微生物介导的甲烷厌氧氧化过程及其影响因子研究进展

温室气体甲烷减排是全球变化领域的研究热点,甲烷厌氧氧化(anaerobic methane oxidation,AOM)过程是一个以前被忽视的甲烷汇,在调控全球甲烷收支平衡及减缓温室效应等方面扮演着十分重要的角色。AOM微生物以甲烷为唯一电子供体,与硫酸盐(SO42-)、亚硝酸盐(NO2-)/硝酸盐(NO3-)、金属离子(Fe3+、Mn4+、Cr6+)等结合完成氧化还原过程,该过程是耦合碳、氮、硫循环的关键环节。本文系统整理分析了不同AOM类型、发生机理、相关功能微生物类群(ANME-1、ANME-2、ANME-3、NC10、MBG-D)及影响AOM过程的关键调控因子的最新研究进展。结果发现,目前80%以上研究都集中在对最常见电子受体类型(SO42-/NO3-/NO2-/Fe3+/Mn4+)的AOM相关过程,而忽视了潜在的新型电子受体(AQDS/HAs O42-/Cr6+/ClO4-等)的耦合作用过程和相对应的微生物类型及作用机理。对未来AOM研究方向提出展望,以期为研究甲烷厌氧氧化菌在不同生态系统中的生态分布及减缓全球温室气体排放提供新的思路。     

酸沉降对泥炭地甲烷排放和碳循环的影响

泥炭地是一个巨大的碳库,是温室气体的源或汇。有研究表明,酸沉降可以促使硫酸盐还原细菌活性增加,并与产甲烷菌争夺基质,从而抑制甲烷气体的产生。这种作用可能对北方泥炭地及全球甲烷气体排放具有重要的影响。硫酸盐还原菌同产甲烷菌竞争主要受到硫酸根浓度、硫酸根循环速度、基质及温度的影响。通过硫酸根的快速循环,酸沉降可以长期抑制泥炭地的甲烷排放和产生。目前关于酸沉降对泥炭地碳库和碳循环的影响还无最后定论。本文综述了酸沉降对泥炭地甲烷产生、排放及碳循环影响的机制方面的最新研究成果,以期找出其内在规律,为今后研究提供参考,并探讨了中国在该领域可开展的研究方向。     

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。     

水生生态系统中金属依赖型甲烷厌氧氧化过程的研究进展

甲烷是一种比CO_2更活跃的温室气体,微生物驱动的甲烷厌氧氧化(anaerobicoxidationof methane,AOM)过程对于降低全球甲烷的排放有着重要意义。参与AOM反应的最终电子受体主要分为三类,即硫酸盐、亚硝酸盐/硝酸盐以及以Fe(III)、Mn(IV)等为代表的金属离子。可溶性金属物质和不溶性金属矿物都可以被用作AOM的电子受体,这大大提高了参与金属依赖型甲烷厌氧氧化(metal-dependent anaerobic oxidation of methane,Metal-AOM)微生物的生态价值。目前研究聚焦在功能菌群、生态分布等方面。部分甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)具有直接或间接参与Metal-AOM过程的能力。但由于功能菌群纯化富集和分离具有一定难度,有关其生理生化和生态学等特征的研究受到限制。同时,随着Metal-AOM被发现存在于不同水生生境中,其在污染治理领域的应用也被广泛讨论,但是河口生境尚缺乏深入研究。本文从Metal-AOM的发现入手,阐述了参与该过程的主要微生物及其在水域环境下的生态分布,并介绍了Metal-AOM的反应机制和在实际应用中的机遇与挑战。最后,根据现有研究结果,提出对功能菌群、机制及环保应用的研究展望,包括微生物分离纯化和影响因素、菌群代谢活性和作用机制的解析以及新型生产工艺的设计和发展应用,以期为今后的环境污染治理和工业应用提供借鉴意义。     

硝态氮还原型厌氧甲烷氧化的研究进展及展望

以硝态氮为电子受体的甲烷厌氧氧化(Nx-damo)是近年被证实的微生物驱动的地球氮、碳循环机制,对于认识重要元素地球化学循环的微生物驱动机制和自然环境中甲烷的源与汇具有重大意义;在废水生物脱氮及其温室气体减排方面也具有潜在工程应用价值。从功能微生物富集及其影响因素、生理特性、生物代谢的可能机理等方面对Nx-damo的最新进展进行了梳理和讨论;评估了其应用于废水处理的潜力和优势;对未来的研究方向进行了展望,以期推动该领域更广泛的研究,并为其提供有价值的参考。     

不同放牧对滇西北高原泥炭沼泽土壤氨氧化微生物群落的影响

氨氧化由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)共同执行,是土壤硝化过程的第一步和限速步骤。放牧过程中,动物啃食、排泄和践踏等行为将影响土壤氨氧化微生物群落,但目前关于不同类型放牧对湿地氨氧化微生物群落结构及其多样性的影响尚不清楚。利用Illumina Mise高通量测序技术,对比研究牦牛放牧和藏香猪放养两种放牧类型对泥炭沼泽土壤氨氧化微生物群落结构及其多样性的影响。结果表明,牦牛放牧显著增加土壤容重,显著降低土壤pH、TN、TOC、NH⁺₄-N和NO^-₃-N含量;藏香猪放养显著增加土壤NO^-₃-N含量和硝化潜势(PNR)。牦牛放牧显著降低土壤AOA的丰富度和AOB的α多样性,藏香猪放养降低土壤AOA的α多样性和AOB的丰富度。放牧显著降低泉古菌门(Crenarchaeota)的相对丰度。AOA的α多样性与土壤NO^-₃-N含量和PNR呈显著负相关。AOB的α多样性与pH、TOC、TN和NH⁺     

自然生境中亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌研究进展

随着功能微生物介导的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)过程被发现,人们对自然界的碳氮循环有了全新的认识,该过程成为自然生态系统中温室气体甲烷的汇,同时还是氮污染的消减途径。本文系统介绍了N-DAMO过程反应机理以及参与该过程的亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化细菌(Candidatus Methylomirabilis oxyfera)的生理生化特征,并对研究该功能菌的分子微生物方法进行了汇总。通过对不同自然生境中该细菌的研究报道进行总结分析,揭示各生境中年均降水量、年均温度、所处不同自然区等大尺度宏观环境因子及碳源、氮源、pH和氧气含量等生存因子对其群落结构的潜在影响,最后在展望中提出此功能菌在未来可深入研究的方向,期望能厘清厌氧甲烷氧化过程及其功能菌在碳、氮循环中的生态学功能。     

Coupled anaerobic methane oxidation and metal reduction in soil under elevated CO2

Continued current emissions of carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄) by human activities will increase global atmospheric CO₂ and CH₄ concentrations and surface temperature significantly. Fields of paddy rice, the most important form of anthropogenic wetlands, account for about 9% of anthropogenic sources of CH₄. Elevated atmospheric CO₂ may enhance CH₄ production in rice paddies, potentially reinforcing the increase in atmospheric CH₄. However, what is not known is whether and how elevated CO₂ influences CH₄ consumption under anoxic soil conditions in rice paddies, as the net emission of CH₄ is a balance of methanogenesis and methanotrophy. In this study, we used a long-term free-air CO₂ enrichment experiment to examine the impact of elevated CO₂ on the transformation of CH₄ in a paddy rice agroecosystem. We demonstrate that elevated CO₂ substantially increased anaerobic oxidation of methane (AOM) coupled to manganese and/or iron oxides reduction in the calcareous paddy soil. We further show that elevated CO₂ may stimulate the growth and metabolism of Candidatus Methanoperedens nitroreducens, which is actively involved in catalyzing AOM when coupled to metal reduction, mainly through enhancing the availability of soil CH₄. These findings suggest that a thorough evaluation of climate-carbon cycle feedbacks may need to consider the coupling of methane and metal cycles in natural and agricultural wetlands under future climate change scenarios.     

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌的整合

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation bacteria,n-damo细菌,属于NC10门)是最近10年来微生物生态学领域的研究热点。然而,对该类群基于现有数据的生态分布、群落结构和系统进化的整合分析还未见报道。【目的】为了更好地将近年来针对该类群的研究做一次全面梳理,本文通过整合前人已有发表数据和结合自身实验数据两方面进行。【方法】一方面,利用NCBI数据库(数据搜集到2016年11月)中所有n-damo细菌序列对其进行生物信息学分析;另一方面,对大九湖泥炭地表层泥炭利用16S rRNA二代测序技术对该类群进行检测,并同前人数据进行对比。【结果】n-damo细菌主要在沉积物、湿地和水稻土检出;基于pmo A基因的n-damo细菌的平均检出率是基于16S rRNA基因检出率的7倍,但是这两类基因分子标记物所得到的多样性指数保持相对稳定(1.4-3.4);贫氮的大九湖泥炭其NC10的丰度仅为0.067%。【结论】n-damo类群种群相对稳定,暗示其行使的生态功能相对单一;贫氮的大九湖泥炭其极低的NC10丰度暗示氮对NC10是限制因子;具有真正氮依赖型甲烷厌氧氧化细菌的Group A可能只占很少的一部分(小于20%),暗示出该类群真正的生态潜能需要进一步评估。本次整合分析为更好的理解n-damo细菌的生活环境、评估不同基因分子标记物下n-damo细菌的检出率、不同亚类群比如Group A和Group B等的丰度和真正的潜在生态功能提供参考。     

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化及其功能微生物研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化（nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO）是耦合氮循环和碳循环的关键环节,主要是由亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化菌（Candidatus Methylomirabilis oxyfera）介导完成,对于研究全球氮和碳元素的生物地球化学循环具有重要意义。本文首先总结了国内外N-DAMO的影响因素和在不同自然生态系统中的分布;然后阐述了N-DAMO菌的生理生化特性及其富集培养优化实验和检测技术,最后探讨了N-DAMO技术的应用现状。本综述不仅有助于揭示全球碳氮循环的耦合作用机制,也为N-DAMO反应耦合其他厌氧生物处理过程应用到污水的除碳脱氮上提供了理论依据。     

大气CO2浓度缓增对稻田硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程的影响

硝酸盐型甲烷厌氧氧化(AOM)是控制稻田甲烷排放的一种新途径,大气CO₂浓度升高会对稻田甲烷排放产生重要影响,但有关其对硝酸盐型AOM过程的影响知之甚少。本研究依托开顶式气室组成的CO₂浓度自动调控平台,采用¹³CH₄稳定性同位素示踪技术,从甲烷氧化活性、相关功能微生物Candidatus Methanoperedens nitroreducens (M. nitroreducens)-like古菌丰度与群落组成等方面,系统研究了稻田土壤中硝酸盐型AOM过程对大气CO₂浓度缓增的响应。试验设置背景CO₂浓度和CO₂浓度缓增处理(背景CO₂浓度基础上每年增加40 μL·L^-1,直至增幅达160 μL·L^-1)。结果表明: 稻田土壤硝酸盐型AOM速率为0.7～11.3 nmol CO₂·g^-1·d^-1;定量PCR结果显示,M. nitroreducens-like古菌mcrA基因丰度为2.2×10⁶～8.5×10⁶ copies·g^-1。与对照相比,CO₂浓度缓增处理使土壤中硝酸盐型AOM速率和M. nitroreducens-like古菌mcrA基因丰度均有一定幅度提高,特别是在5～10 cm深度下两者均显著提高。CO₂浓度缓增处理未显著改变M. nitroreducens-like古菌群落结构,但使其多样性显著降低。相关性分析表明,土壤有机碳含量可能是影响硝酸盐型AOM过程的重要因子。综上,大气CO₂浓度缓增在一定程度上促进了硝酸盐型AOM反应,暗示在未来气候变化背景下其在控制稻田甲烷排放中具有积极作用。     

铁炉渣施加对稻田甲烷产生、氧化与排放的影响

为了阐明铁炉渣施加对稻田甲烷产生、氧化与排放的影响,采用静态箱-气相色谱法对对照(CK)、2 Mg/hm2(FeⅠ)、4Mg/hm2(FeⅡ)和8 Mg/hm2(FeⅢ)铁炉渣施加后稻田甲烷产生、氧化与排放进行了测定与分析.研究结果表明:观测期内,CK、Fe Ⅰ、FeⅡ和FeⅢ样地甲烷产生量分别为0.06-8.87、0.12-8.28、0.15-7.84、0.17-7.82 mg·m-2·h-1,平均产生量分别为4.68、3.92、3.14、2.76 mg·m-2·h-1;甲烷氧化量分别是0.02-1.27、0.09-0.95、0.09-1.54、0.09-2.79 mg·m-2·h-1,平均氧化量为0.46、0.47、0.59、0.55 mg·m-2·h-1;甲烷排放分别是0.04-7.99、0.03-7.33、0.06-6.30、0.08-5.12 mg· m-2·h-1,平均值分别为3.11、2.29、1.76、1.59 mg·m-2·h-1.铁炉渣的施加降低了甲烷产生量和排放通量,提高了甲烷氧化量.     

Kinetics of anaerobic methane oxidation coupled to denitrification in the membrane biofilm reactor

Anaerobic oxidation of methane coupled to denitrification (AOM-D) in a membrane biofilm reactor (MBfR), a platform used for efficiently coupling gas delivery and biofilm development, has attracted attention in recent years due to the low cost and high availability of methane. However, experimental studies have shown that the nitrate-removal flux in the CH₄-based MBfR (<1.0 g N/m²-day) is about one order of magnitude smaller than that in the H₂-based MBfR (1.1–6.7 g N/m²-day). A one-dimensional multispecies biofilm model predicts that the nitrate-removal flux in the CH₄-based MBfR is limited to <1.7 g N/m²-day, consistent with the experimental studies reported in the literature. The model also determines the two major limiting factors for the nitrate-removal flux: The methane half-maximum-rate concentration (K₂) and the specific maximum methane utilization rate of the AOM-D syntrophic consortium (k_max2), with k_max2 being more important. Model simulations show that increasing k_max2 to >3 g chemical oxygen demand (COD)/g cell-day (from its current 1.8 g COD/g cell-day) and developing a new membrane with doubled methane-delivery capacity (D_m) could bring the nitrate-removal flux to ≥4.0 g N/m²-day, which is close to the nitrate-removal flux for the H₂-based MBfR. Further increase of the maximum nitrate-removal flux can be achieved when D_m and k_max2 increase together.     

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。     

A new algorithm to characterize biodegradability of biomass during anaerobic digestion: influence of lignin concentration on methane production potential

We examined the influence of fibrous fractions of biomass on biochemical methane potential (BMP) with the objective of developing an economical and easy-to-use statistical model to predict BMP, and hence the biodegradability of organic material (BD) for biogas production. The model was developed either for energy crops (grass, maize, and straw) or for animal manures, or as a combined model for these two biomass groups. It was found that lignin concentration in volatile solids (VS) was the strongest predictor of BMP for all the biomass samples. The square of the sample correlation coefficient (R(2)) from the BMP versus lignin was 0.908 (p<0.0001), 0.763 (p<0.001) and 0.883 (p<0.001) for animal manure, energy crops and the combined model, respectively. Validation of the combined model was carried out using 65 datasets from the literature.