河口潮滩湿地反硝化型甲烷厌氧氧化及其影响机理研究

Denitrifying anaerobic methane oxidation (DAMO) has recently been discovered and considered a unique link between the two major global nutrient cycles of carbon and nitrogen. In recent years, DAMO process in natural ecosystems has become one of the hot scientific issues and received extensive attention. However, the mechanisms controlling DAMO and its contribution to the carbon and nitrogen cycling in the estuarine and coastal ecosystems still remain unclear. Thus, the Yangtze estuarine intertidal wetland was selected as a typical study area (1) to investigate the temporal and spatial distributions of DAMO process with stable isotopic technique, (2) to study the diversities, compositions, abundances, and distributions of DAMO bacteria and archaea with molecular technology, (3) to quantify the correlations between the DAMO rates and the dynamics of DAMO functional microbes in the tidal ecosystem, (4) to reveal the main environmental characteristics and the potential mechanisms controlling DAMO, and (5) to explore the contributions of DAMO to the carbon and nitrogen cycling in the study area. This project is of significance to deepen the understanding of the carbon and nitrogen transformations in the estuarine and coastal ecosystems, and it also can help to enhance the wetland eco-environments protection, methane reduction, and nitrogen-pollution control of the Yangtze Estuary and other estuaries in China.

反硝化型甲烷厌氧氧化（DAMO）是近年来新发现的全球碳、氮循环的重要耦合过程。目前，自然环境中DAMO过程的研究已成为广为关注的热点问题和学术前沿。然而，DAMO过程在河口近岸复杂环境中的动态变化、影响机制、及其在区域碳氮循环中的贡献等还缺乏了解。鉴于此，本项目以长江口潮滩湿地为典型研究区，运用同位素示踪和分子生物学技术，系统研究河口潮滩DAMO过程的时空动态变化；分析DAMO功能菌在潮滩湿地内的多样性、丰度及其分布特征；定量剖析DAMO功能菌的菌群动态与DAMO速率之间的耦合关系；揭示河口潮滩系统内影响DAMO过程的关键环境因子及其作用机理；探讨河口潮滩湿地中DAMO过程在甲烷消减及脱氮过程中的贡献。通过本项目的研究，不仅可深化对河口近岸碳、氮生物地球化学循环耦合过程与影响机制的理论认识，而且可为长江口及我国其它河口近岸湿地生态系统的保护与管理、甲烷消减及氮污染控制等提供重要的理论支撑。

反硝化型甲烷厌氧氧化（denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO）是近年来发现的全球碳、氮循环的重要耦合过程。DAMO过程一方面可将CH4氧化成CO2，具有降低温室效应的潜力；另一方面可通过反硝化实现无机氮的去除，对河口近岸水体富营养化具有潜在的缓解作用，具有非常重要的环境意义。因此，河口近岸区域DAMO过程及其影响机制的研究成为广为关注的热点问题。本项目以长江口潮滩湿地作为典型研究区，研究了河口潮滩DAMO速率的时空变化规律，阐明了DAMO功能菌在潮滩湿地内的多样性、丰度及其分布特征，剖析了DAMO功能菌的菌群动态与DAMO速率之间的耦合关系；揭示了河口潮滩系统内影响DAMO过程的关键环境因子及其作用机理，定量估算了河口潮滩湿地中DAMO过程在甲烷消减及脱氮过程中的地位和贡献。研究发现，长江口潮滩沉积物中同时存在Nitrite-DAMO细菌和Nitrate-DAMO古菌，丰度分别为4.5×105~6.4×106 copies g−1和4.2×103~3.9×1010 copies g-1，DAMO古菌的多样性要高于DAMO细菌。同时，潮滩湿地Nitrite-DAMO细菌和Nitrate-DAMO古菌均具有较高的DAMO活性，甲烷氧化潜力分别为0.1~84.3 nmol 13CO2 g−1 day−1和0.1~46.7 nmol 13CO2 g−1 day−1。此外，DAMO不仅作为重要的CH4氧化过程，并且还从潮间带沉积物中去除大量的活性氮（0.3~224.8 nmol N g-1 day-1）。研究还发现，潮汐作用是影响潮滩湿地DAMO过程速率及其功能微生物菌群动态的重要因素。相关研究成果已在《Geoderma》、《Environmental Pollution》、《Marine Pollution Bulletin》等国内外重要学术期刊上发表。研究成果不仅可深化对河口近岸碳、氮生物地球化学循环耦合过程及其影响机制的理论认识，而且可为长江口及我国其它河口近岸湿地生态系统的保护与管理、甲烷消减及氮污染控制等提供重要的理论支撑。