填埋覆土甲烷氧化微生物及甲烷氧化作用机理研究进展

甲烷是一种长期存在于大气中的温室气体,它对温室效应的贡献率是二氧化碳的26倍.生活垃圾填埋场是大气甲烷的主要产生源之一,由其产生的甲烷约占全球甲烷排放总量的1.5%～15%.甲烷氧化微生物在调节全球甲烷平衡中起着重要作用.垃圾填埋场覆土具有相当强的甲烷氧化能力.填埋覆土甲烷氧化菌及其氧化作用机理的研究,已成为环境微生物学研究领域的热点之一.本文对生活垃圾填埋场填埋覆土中甲烷氧化微生物、甲烷氧化机理及动力学机制、甲烷与微量填埋气体的共氧化机制以及影响甲烷氧化的环境因子研究的最新进展进行综述,并对生活垃圾填埋场甲烷氧化微生物的研究进行展望.     

垃圾填埋场甲烷氧化菌及甲烷减排的研究进展

垃圾填埋场是全球最重要的人为甲烷排放源之一,其全球年甲烷释放量为35-69 Tg,垃圾填埋场甲烷减排是目前全球温室气体研究的热点。甲烷氧化菌能够氧化分解甲烷,作为减少大气甲烷排放的重要生物汇,对保持大气中甲烷浓度的平衡具有重要意义。从甲烷氧化菌的类型及其特征、甲烷氧化机理着手,介绍了多样性研究方法、填埋场中甲烷氧化菌的活性影响因素及甲烷生物减排应用等最新研究进展。在综述前人研究的基础上,探讨了目前研究的不足,提出了利用甲烷氧化菌复合微生物菌剂等综合处理措施,旨为垃圾填埋场甲烷减排的研究和应用提供新的思路。     

植物建植对垃圾填埋场生物覆盖层甲烷氧化及其微生物群落的影响

利用柱试验模拟填埋场生物覆盖层,研究了白三叶和苜蓿建植对增强覆盖层甲烷(CH4)氧化能力及保持甲烷氧化优势菌群的影响。结果表明:植物建植能明显降低基质含水率,提高氮含量,改善O2和CH4扩散,提高基质CH4氧化能力;在CH4氧化的高速期和下降期,植物建植的CH4氧化速率显著高于对照,白三叶和苜蓿处理之间无显著差异;在CH4氧化的低速期,对照与植物建植之间的CH4氧化速率无显著差异,而苜蓿处理显著高于白三叶处理。基于磷脂脂肪酸(PLFA)的微生物群落结构分析表明,植物建植有利于Ⅰ型菌在深层的分布,随着CH4氧化速率逐渐下降,柱体底部甲烷氧化细菌群落由Ⅰ型为主向Ⅱ型为主转变。     

甲烷氧化菌及其在环境治理中的应用

甲烷的生物氧化包括好氧氧化和厌氧氧化两种,分别由好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌完成.由于该过程是减少自然环境中温室气体甲烷排放的重要途径,越来越受到各国学者的重视.本文主要对当前甲烷氧化菌的研究现状进行了综述,对好氧甲烷氧化菌的种类、参与氧化甲烷的关键酶,厌氧甲烷氧化菌的种类、参与的微生物菌种以及氧化机理进行了论述,并对这两类微生物在温室气体减排、污染物治理、废水生物脱氮、硫及金属元素回收等方面的应用现状及前景进行了分析.     

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。     

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.     

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.     

垃圾填埋场N_2O排放通量及测定方法研究进展

氧化亚氮(N2O)是第三大温室气体和最主要的臭氧层破坏气体.填埋是目前城市生活垃圾处理处置的主要方式,而垃圾填埋场是N2O的排放源之一.实验室研究和现场测定均表明,生活垃圾填埋场可以有高的N2O释放通量,但不同填埋场测定数据差异很大.目前,对生活垃圾填埋场N2O排放量的原位准确测定以及排放机理和重要性的认识仍有很多不足.本文概述了生活垃圾填埋场N2O排放研究现状,从垃圾堆体和覆土层两部分探讨了传统厌氧卫生填埋场的N2O产生和排放机理,并就此对新型脱氮型生物反应器填埋场做了相应探讨.最后,就静态箱法、涡度相关法等N2O通量测定方法在填埋场的适用性进行了讨论,并展望了填埋场N2O排放的研究方向.     

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。     

湿地反硝化型甲烷厌氧氧化研究进展

甲烷是最重要的温室气体之一,其单分子温室效应是CO2的298倍。湿地是甲烷重要的排放源,也是氮素的源和汇。微生物参与湿地碳、氮转化的生物地球化学循环过程,湿地CH4是土壤淹水条件下微生物厌氧降解有机质而产生,微生物又可以通过反硝化型甲烷厌氧氧化过程(DAMO)降低湿地甲烷的排放,对缓解全球温室效应具有重要作用。本文系统介绍了DAMO过程机理、功能微生物Methylomirabilis oxyfera菌群特性、分布以及土壤DAMO过程的检测方法和DAMO过程的影响因素,并对未来更多的湿地DAMO微生物的发现,尤其是对稻田湿地DAMO过程的相关研究提出展望,以期推动该领域更深入的研究,为稻田湿地甲烷排放量的估算及制定合理的减排措施提供科学依据。     

垃圾填埋场N2O排放通量及测定方法研究进展

氧化亚氮(N₂O)是第三大温室气体和最主要的臭氧层破坏气体.填埋是目前城市生活垃圾处理处置的主要方式,而垃圾填埋场是N₂O的排放源之一.实验室研究和现场测定均表明,生活垃圾填埋场可以有高的N₂O释放通量,但不同填埋场测定数据差异很大.目前,对生活垃圾填埋场N₂O排放量的原位准确测定以及排放机理和重要性的认识仍有很多不足.本文概述了生活垃圾填埋场N₂O排放研究现状,从垃圾堆体和覆土层两部分探讨了传统厌氧卫生填埋场的N₂O产生和排放机理,并就此对新型脱氮型生物反应器填埋场做了相应探讨.最后,就静态箱法、涡度相关法等N₂O通量测定方法在填埋场的适用性进行了讨论,并展望了填埋场N₂O排放的研究方向.     

甲烷及三氯乙烯驯化对垃圾填埋场覆盖土细菌群落结构的影响

对典型垃圾填埋覆盖土进行CH₄原位富集和三氯乙烯(TCE)驯化,研究了其生物氧化能力和微生物群落结构变化.覆盖土CH₄氧化速率为0.20～0.87 μmol·g^-1 soil·h^-1,TCE降解速率为0.009～0.013 mg·L^-1·h^-1,其中山东垃圾填埋场覆盖土土样甲烷氧化活性高于广东、上海和重庆地区土样.通过Illumina MiSeq测序技术分析了α多样性和驯化前后微生物菌群结构变化规律.结果表明: 在所有被注释的操作分类单元聚类结果中,细菌OTUs分配为39个门,85个纲,562个属,富集驯化后变形杆菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和酸杆菌门仍为各土样的优势菌群,所占比例之和高于77.4%;γ-变形杆菌纲、β--变形杆菌纲、α-变形杆菌纲、放线菌纲和酸杆菌纲所占比例之和高于26.5%.嗜甲基菌属、厌氧绳菌属、节杆菌属和假单胞菌属经TCE驯化后,其相对丰度呈增加趋势.表明在覆盖土氯代烃生物降解过程中,除了被广泛认可的甲烷氧化菌异养共代谢机制以外,还存在非甲烷共代谢机制和氯代烃自养降解机制.     

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。     

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。     

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。     

垃圾填埋场氧化亚氮排放控制研究进展

填埋是国内外城市生活垃圾处理的一种主要方式.垃圾填埋场是温室气体氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)的重要排放源.作为一种高效痕量的温室气体,N2O具有极高的潜在增温效应,其每分子潜在的增温作用是二氧化碳(CO2)的296倍.而且N2O能在大气中长期稳定存在,对臭氧层具有较强的破坏作用.本文针对垃圾填埋场N2O排放的控制研究,概述了垃圾填埋处理过程中主要排放源的N2O排放及其影响因素,提出了现阶段适应我国垃圾填埋场N2O排放控制的一系列措施,并展望了垃圾填埋场温室气体N2O排放控制理论和技术的研究方向.     

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。     

长期不同施肥下水稻土甲烷氧化能力及甲烷氧化菌多样性的变化

稻田内源甲烷的氧化是稻田甲烷减排的重要途径。而甲烷氧化菌是土壤中甲烷氧化的主要施动者,在长期不同施肥条件下,土壤微生物群落的演变是否影响到土壤甲烷氧化菌群落结构及其活性,进而影响到田土壤CH4向大气的实际排放强度还不清楚。为此,选择太湖地区一个长期肥料试验的稻田土壤为研究对象,分析长期不同肥料施用对土壤甲烷氧化能力的影响及其与土壤中甲烷氧化菌群落结构变化的可能关系。结果表明,长期不同的施肥措施下稻田土壤对甲烷的氧化能力产生了明显差异,伴随着土壤中甲烷氧化菌（MOBI和MOBII）的基因群落多样性的显著变化。长期单一施用氮肥为主的化肥显著降低了土壤对甲烷的氧化能力,同时显著降低了稻田土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度;不同施肥下甲烷氧化菌多样性的变化与土壤的甲烷氧化能力的变化趋势相一致。因此,研究显示长期不同施肥处理下甲烷氧化菌群落结构的改变可能是引起水稻土甲烷氧化能力变化的一个主要因素,有机无机配合施用可以明显降低稻田土壤甲烷的大气释放潜能。但长期不同施肥处理下甲烷氧化菌活性的变化还有待于进一步研究。     

适度放牧增加内蒙古典型草原甲烷氧化菌丰度和甲烷吸收

微生物氧化是大气甲烷唯一的生物汇.认识草原甲烷(CH₄)通量对不同利用方式的响应是制定低碳高效草原管理体系的基础.本研究通过测定内蒙古中部典型草原在放牧、割草和围封管理下生态系统的CH₄通量和土壤甲烷氧化菌丰度,旨在确定不同利用方式对内蒙古典型草原生态系统CH₄吸收的影响,验证甲烷氧化菌功能基因(pmoA)丰度调控CH₄通量.测定草原是连续5年实施4种不同利用处理的试验草原,4个处理为全植物生长季(5—9月)放牧(T₁)、春夏5月和7月放牧(T₂)、秋季割草(T₃)和围封禁牧(T₀).在测定植物生物量和土壤理化特征的基础上,采用静态箱置法测定草原植物生长季CH₄通量,采用分子技术测定草原表层土壤甲烷氧化菌pmoA功能基因的丰度.结果表明: 放牧显著促进CH₄吸收,增加甲烷氧化菌丰度(即每克干土pmoA功能基因拷贝数),其在生长季的变化范围是6.9×10⁴~3.9×10⁵.T₁处理下植物生长季的CH₄平均吸收量为(68.21±3.01) μg·m^-2·h^-1,显著高于T₂、T₃和T₀处理22.1%、37.5%和30.9%.草原CH₄吸收与甲烷氧化菌丰度呈极显著正相关,与土壤砂粒占比呈显著正相关,而与土壤粉粒占比、土壤水分含量、土壤铵态氮和硝态氮含量,以及植物地上生物量呈显著负相关.表明不同利用方式下内蒙古典型草原都是CH₄的汇,而适度放牧可增加草原土壤砂粒占比,降低土壤无机氮含量和植被生物量,提高土壤甲烷氧化菌丰度和CH₄吸收.本结果对制定低排放草原管理体系具有重要意义.