潜流带非均质性对反硝化型甲烷厌氧氧化过程的影响

Methane oxidation is an important methane sink on earth which has significant effect on mitigating the greenhouse effect, and is a frontier and hot spot in the field of earth science. Denitrification-dependent Anaerobic Methane Oxidation (DAMO) is a recently discovered methane oxidation process which is widely distributed in the hyporheic zone of fresh water and wetland systems. To date, studies regarding DAMO process are focused on the reaction mechanisms and field distributions. However, studies regarding factors influencing the reaction rate of DAMO process are insufficient. As a result, the methane consumption of DAMO process cannot be accurately estimated. Heterogeneity of sediments in hyporheic zone leads to the differences in permeability, controlling processes of substances input, and therefore influences the reaction rate and methane consumption of DAMO process. In this project, we will choose the Dongjing River in the Jianghan Plain as the object of study. Relations between abundance of functional gene of DAMO microorganism and sediment permeability will be analyzed through quantitative polymerase chain reactions and saturated infiltration experiments. Further, influence mechanisms of key substances (ferric iron, sulfate, ammonium and dissolved organic matter) on the reaction rate of DAMO process will be revealed through stable carbon isotopic labelling experiments. Achievements of this project will provide scientific basis for accurately estimating the methane consumption of DAMO process.

甲烷氧化过程是地球重要的甲烷汇，对缓解温室效应具有重要作用，是地球科学领域研究的前沿与热点。反硝化型甲烷厌氧氧化（DAMO）过程是最新发现的甲烷氧化过程，在淡水和湿地生态系统的潜流带中广泛存在。目前对DAMO过程的研究主要集中在反应机理和野外分布等方面，对DAMO过程反应速率的影响因素研究还不够系统和深入，因此尚不能准确评价DAMO过程的甲烷消耗量。潜流带非均质性导致沉积物渗透性存在空间差异，控制着潜流带的物质输入过程，进而影响DAMO过程的反应速率和甲烷消耗量。本项目拟选取江汉平原东荆河为研究对象，通过定量聚合酶链式反应和饱和渗透实验，分析潜流带不同位置和深度DAMO微生物功能基因丰度与沉积物渗透性的关系；通过室内稳定碳同位素标记实验，揭示关键物质（三价铁离子、硫酸根离子、铵根离子和有机质）对DAMO过程反应速率的影响机理，预期成果可为准确评价潜流带DAMO过程的甲烷消耗量提供科学依据。

甲烷是地球第二大温室气体，甲烷氧化过程是地球重要的甲烷汇，对缓解温室效应具有重要作用。反硝化型甲烷厌氧氧化（DAMO）过程是控制潜流带中甲烷释放量的重要过程。但是，潜流带的非均质性导致的含水层渗透性差异会显著影响潜流带中的DAMO过程，导致DAMO过程的甲烷消耗量无法合理计算。本项目通过野外面上、垂向的潜流带调查观测，运用qPCR技术，分别测试沉积物渗透性和DAMO功能基因的丰度、河水和地下水的化学组成，揭示潜流带非均质性对DAMO过程的控制作用。结果发现，在地表水-地下水相互作用过程中，潜流带非均质性对地下水中的碳/氮循环、盐度分布、微生物群落结构、DAMO微生物分布起控制作用。区域尺度上，DAMO微生物多分布在表层10-20cm沉积物中，其基因拷贝数最多可达1.24×107 copies/g。在垂向上，DAMO微生物分布与盐度分布相关。此外，通过室内砂槽实验，本项目精细刻画出潜流带中存在的含水层、弱透水层、优先水流通道等非均质条件，并通过示踪剂、水化学指标的指示作用，研究了地下水-地表水相互作用条件下，潜流带非均质性对地下水中碳、氮循环的影响。研究结果发现，在地表水-地下水交互带中，随着水化学成分、沉积物的理化性质、水力停留时间以及交互作用强度等发生变化，反硝化过程速率及其产物也会迅速做出反应。底物（如硝酸盐）的浓度越高、溶解氧浓度越低、水力停留时间越长、反硝化菌与反硝化功能基因的丰度越高，则反硝化作用的速率也就越高。综上，本项目以典型流域为研究对象，采用野外研究与室内实验相结合的方法，揭示了潜流带非均质性对DAMO过程的影响，为准确评价潜流带DAMO过程的甲烷消耗量提供必要的科学依据，同时也为非均质性对其他生物地球化学过程的控制作用研究提供借鉴。