油气田土壤甲烷氧化菌实时荧光定量PCR检测技术的 建立与应用

【目的】建立快速检测甲烷氧化菌含量的SYBR GreenⅠ实时荧光定量PCR技术,用于油气微生物勘探。【方法】以含有甲烷氧化菌功能基因pmoA片段的重组质粒为标准品,优化实验条件,建立标准曲线,进行敏感性、重复性和特异性评价,并将该技术用于实际样品的检测。【结果】该技术标准曲线的相关系数R2为0.999 9,扩增效率为99.976%,检测范围为3.897×101-3.897×109 copies/μL,检出限约为40 copies/μL,重复性实验中CT值的变异系数优于3%,对12种非甲烷氧化菌均没有扩增,显示该技术具有很好的敏感性、重复性和特异性。利用该技术对气田、油田和非油气田土样进行了检测,发现气田具有明显的异常高值。【结论】为油气田的勘探建立了一种高效、特异、灵敏、准确的甲烷氧化菌荧光定量PCR检测技术,同时为其它指示菌检测技术的建立提供了参考。     

云贵高原典型湖滨湿地好氧甲烷氧化细菌群落结构和数量的时空动态

湖泊生态系统排放的甲烷（CH₄）大部分来自湖滨湿地,好氧甲烷氧化细菌（methane-oxidizing bacteria,MOB）在减轻CH₄从湖泊系统向大气的排放中起着至关重要的作用。湖滨湿地好氧MOB群落分布及其影响因素尚不清楚。采用qPCR、末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）等方法,分四季对贵州草海湖滨湿地宽敞水域至落干区沉积物中好氧MOB群落组成和数量进行了研究。草海湖滨湿地沉积中甲烷氧化单加氧酶功能基因（pomA）丰度较高,在1.78×10⁷-2.73×10⁸拷贝数/g干沉积物之间,好氧MOB由I型（Methylococcus and Methylobacter）和II型（Methylosinus）组成,I型主要分布在宽敞水域（长期淹水区）,而干湿过渡区和偶尔积水区主要为II型,呈现出明显的空间变化,推测湖滨湿地长期淹水区甲烷的氧化由I型主导,而相对干旱的区域II型主导,而这种差异可能是导致湖滨湿地甲烷排放高度异质性的一个重要因素。研究结果对揭示湖滨湿地甲烷排放时空异质性的微生物生态机制奠定了基础。     

好氧甲烷氧化菌生理生态特征及其在自然湿地中的群落多样性研究进展

甲烷氧化菌是一类可以利用甲烷作为唯一碳源和能源的细菌,在全球变化和整个生态系统碳循环过程中起着重要的作用。近年来,对甲烷氧化菌的生理生态特征及其在自然湿地中的群落多样性研究取得了较大进展。在分类方面,疣微菌门、NC10门及两个丝状菌属甲烷氧化菌的发现使其分类体系得到了进一步的完善;在单加氧酶方面,发现甲烷氧化菌可以利用pM MO和sM MO两种酶进行氧化甲烷的第一步反应,Ⅱ型甲烷氧化菌中pM MO2的发现证实甲烷氧化菌可以利用这种酶氧化低浓度的甲烷;在底物利用方面,已经发现了越来越多的兼性营养型甲烷氧化菌,证实它们可以利用的底物比之前认为的更广泛,其中包括乙酸等含有碳碳键的化合物;在生存环境方面,能在不同温度、酸度和盐度的环境中生存的甲烷氧化菌不断被分离出来。全球自然湿地甲烷氧化菌群落多样性的研究目前主要集中在北半球高纬度的酸性泥炭湿地,Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis、Methylocella和Methylocapsa是这类湿地主要的甲烷氧化菌类群,尤其以Methylocystis类群最为广泛,而Ⅰ型甲烷氧化菌尤其是Methylobacter在北极寒冷湿地中占优势。随着高通量测序时代的到来和新的分离技术的发展,对甲烷氧化菌的现有认识将面临更多的挑战和发展。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

甲烷氧化菌的研究进展

甲烷氧化菌在全球大气甲烷平衡中起着重要的作用。本文从甲烷氧化菌的分类出发,对甲烷氧化菌氧化菌的生理、生态分布及最新研究进展作一综述。     

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.     

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。     

内蒙古岗更诺尔湖泊退化情景下好氧甲烷氧化的微生物过程研究

【目的】内蒙古岗更诺尔湖退化为碱地、草地情景下,研究好氧甲烷氧化过程及其微生物群落的变化规律。【方法】针对湖泊沉积物及其退化后形成的碱地、草地土壤,在不同初始甲烷浓度下培养,研究其甲烷氧化速率,通过实时荧光定量PCR、高通量测序技术分析甲烷氧化菌的群落构成及其变化规律。【结果】湖泊退化过程中,沉积物和碱地的土壤理化性质、甲烷氧化速率变化规律基本一致,但与草地土壤有显著差异。在微生物属水平,甲烷氧化菌Methylococcus的丰度显著增加,在沉积物、碱地和草地中的丰度分别为19.2%、48.8%和78.3%,而Crenothrix的丰度明显降低,依次为54.7%、32.1%、和13.9%。进一步室内模拟不同初始浓度下甲烷氧化过程,发现沉积物中Crenothrix和Methylocaldum的增幅最大;碱地土壤中Methylococcus和Methylomonas的增幅远高于其他甲烷氧化菌;而在草地土壤中,Crenothrix增加高达7.81%,增幅达196倍。这些显著增加的微生物可能在不同浓度甲烷氧化过程中发挥了重要作用。【结论】湖泊退化过程中,甲烷氧化潜力降低。沉积物中的甲烷氧化菌发生了显著分异,Methylococcus逐渐成为碱地和草地的优势微生物,而Crenothrix则逐渐成为弱势类群。然而,草地土壤氧化高浓度甲烷过程中,数量上占弱势的Crenothrix迅速变为优势类群,可能发挥了重要作用。     

Diversity of the particulate methane monooxygenase gene in methanotrophic samples from different rice field soils in China and the Philippines

Methanotrophic bacteria play a crucial role in regulating the emission of CH4 from rice fields into the atmosphere. We investigated the CH4 oxidation activity together with the diversity of methanotrophic bacteria in ten rice field soils from different geographic locations. Upon incubation of aerated soil slurries under 7% CH4, rates of CH4 oxidation increased after a lag phase of 1-4 days and reached values of 3-10 micromol d(-1) g-dw(-1) soil. The methanotrophic community was assayed by retrieval of the pmoA gene which encodes the a subunit of the particulate methane monooxygenase. After extraction of DNA from actively CH4-oxidizing soil samples and PCR-amplification of the pmoA, the community was analyzed by Denaturant Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) and Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP). DGGE bands were excised, the pmoA re-amplified, sequenced and the encoded amino acid sequence comparatively analyzed by phylogenetic treeing. The analyses allowed the detection of pmoA sequences related to the following methanotrophic genera: the type-I methanotrophs Methylobacter, Methylomicrobium, Methylococcus and Methylocaldum, and the type-II methanotrophs Methylocystis and Methylosinus. T-RFLP analysis detected a similar diversity, but type-II pmoA more frequently than DGGE. All soils but one contained type-II in addition to type-I methanotrophs. Type-I Methylomonas was not detected at all. Different combinations of methanotrophic genera were detected in the different soils. However, there was no obvious geographic pattern of the distribution of methanotrophs.     

Molecular Analysis of Deep-Sea Hydrothermal Vent Aerobic Methanotrophs by Targeting Genes of 16S rRNA and Particulate Methane Monooxygenase

Molecular diversity of deep-sea hydrothermal vent aerobic methanotrophs was studied using both 16S ribosomalDNA and pmoA encoding the subunit A of particulate methane monooxygenase (pMOA). Hydrothermal vent plume and chimney samples were collected from back-arc vent at Mid-Okinawa Trough (MOT), Japan, and the Trans-Atlantic Geotraverse (TAG) site along Mid-Atlantic Ridge, respectively. The target genes were amplified by polymerase chain reaction from the bulk DNA using specific primers and cloned. Fifty clones from each clone library were directly sequenced. The 16S rDNA sequences were grouped into 3 operational taxonomic units (OTUs), 2 from MOT and 1 from TAG. Two OTUs (1 MOT and 1 TAG) were located within the branch of type I methanotrophic ?-Proteobacteria. Another MOT OTU formed a unique phylogenetic lineage related to type I methanotrophs. Direct sequencing of 50 clones each from the MOT and TAG samples yielded 17 and 4 operational pmoA units (OPUs), respectively. The phylogenetic tree based on the pMOA amino acid sequences deduced from OPUs formed diverse phylogenetic lineages within the branch of type I methanotrophs, except for the OPU MOT-pmoA-8 related to type X methanotrophs. The deduced pMOA topologies were similar to those of all known pMOA, which may suggest that the pmoA gene is conserved through evolution. Neither the 16S rDNA nor pmoA molecular analysis could detect type II methanotrophs, which suggests the absence of type II methanotrophs in the collected vent samples.     

Aerobic methanotrophs from the coastal thermal springs of Lake Baikal

The number, activity, and diversity of aerobic methanotrophic bacteria in the sediments of three coastal thermal springs of Lake Baikal were analyzed. The average number of methanotrophs was 10³–10⁴ cells per 1 cm³ of sediment. The highest number of methanotrophs (10⁸ cells/cm³ of silt) and the highest potential rate of methane uptake [7.7 nmol CH₄/(cm³ day)] were revealed in sediments from the Sukhaya thermal spring. The methods of molecular ecology (DGGE, FISH, analysis of pmoA gene fragments) showed the predominance in most enrichment cultures of methanotrophs of type II, i.e., of the genera Methylocystis and Methylosinus. In only one enrichment culture (from the Sukhaya thermal spring), a type I methanotroph was revealed; its similarity to Methylococcus capsulatus Bath did not exceed 80%. These results demonstrate a widespread occurrence and high activity of the aerobic methanotrophic community in the coastal thermal springs of Lake Baikal.     

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.     

人工湿地植物种类及多样性对甲烷释放及功能基因丰度的影响

为了研究人工湿地处理中碳/氮水平的废水时植物种类及多样性对系统甲烷释放及功能基因丰度的影响,我们构建了实验尺度的人工湿地微宇宙实验系统。选取千屈菜(Lythrum salicaria L.)和海寿花(Pontederia cordata L.)2种人工湿地常用、景观效果好的植物,在系统中配置了单种处理和两物种混种处理。结果表明:千屈菜与海寿花混种系统的甲烷释放强度(8.78 mg CH_4 m~(-2) d~(-1))高于两物种单种系统的平均值(6.97 mg CH_4 m~(-2) d~(-1))(P0.001),同甲烷释放一样,混种系统的mcrA基因绝对丰度(977541.6 copies/g dw soil)也高于两物种单种系统的平均值(585146.8 copies/g dw soil),但混种系统的pmoA基因绝对丰度(326956.6 copies/g dw soil)低于两物种单种系统的平均值(1043616.0 copies/g dw soil)(P0.001)。此外,混种系统的微生物量、植物生物量高于两物种单种系统的平均值(P0.01),但出水铵态氮浓度低于两物种单种系统的平均值(P0.05),出水总有机碳浓度和硝态氮浓度在单混种系统间无显著差异(P0.05)。千屈菜单种系统和海寿花单种系统间的甲烷释放强度、pmoA基因绝对丰度、微生物量、植物生物量和出水铵态氮浓度存在显著差异(P0.05),但mcrA基因绝对丰度、出水总有机碳和硝态氮浓度无显著差异(P0.05)。为了达到人工湿地的高净化效率,需要将千屈菜与海寿花混合种植,但混合种植强化甲烷释放。通过植物种类和丰富度对各指标变异的解释度(ω~2)分析发现,植物种类对甲烷释放、pmoA基因绝对丰度、出水铵态氮的影响大于植物丰富度,但对mcrA基因绝对丰度的影响小于植物丰富度。