云南典型湖泊系统中甲烷产生和转化研究

Methane is one of the important greenhouse gases. The emission of methane from lake ecosystems is of great significance to methane gas balance. However, there are still many constraints to precise estimation of methane emission flux from lake ecosystems and effective control strategies. The spatial and temporal variation of methane production and conversion in the whole lake ecosystem remains largely unclear. Dianchi Lake, Erhai Lake and Luguhu Lake are eutro-, meso- and oligotrophic freshwater lakes in the Yunnan Province. In this research project, the spatial and temporal variation of functional microbial communities and in-situ active microorganisms for methane production and conversion in these three lakes and the driving forces will be systematically investigated. The spatial and temporal heterogeneity of the potential of methane production and conversion will be also investigated. Based on these results, the modeling of methane emission flux from lakes ecosystems will be further conducted. Moreover, the microbial cultures of anaerobic methane oxidation will be enriched and the sophisticated microbiology and chemical tools will be applied to identify the mechanisms involved in anaerobic methane oxidation. The project can provide precise information on methane production and conversion in lake ecosystems, which is of great importance for the control and management of lake methane emission in China. This project can also provide a new methodology for the future study on methane production and conversion in other lakes.

甲烷是一种重要的温室气体，而湖泊甲烷排放与大气甲烷平衡关系密切。然而，目前精确评估湖泊甲烷排放通量和实施有效的管理措施还受到很多因素的限制，尤其是尚不清楚整个湖泊中甲烷产生和转化过程的时空分异性。本项目以处于不同营养水平的云南湖泊洱海、滇池和泸沽湖为例，系统研究整个湖泊系统中甲烷产生和转化的功能微生物群落和原位活性微生物的时空分布特征及其驱动因子，揭示甲烷产生和转化潜力的时空分异性，并建立高精度的湖泊甲烷排放通量模型。此外，项目还将进一步开展甲烷厌氧氧化微生物的富集培养研究，并综合利用先进的生物学和化学分析手段深入探索甲烷厌氧氧化机制。项目的实施能揭示湖泊系统中甲烷产生和转化过程的精确信息，能为我国湖泊甲烷排放的控制和管理提供重要依据，同时为国内外其它湖泊甲烷产生和转化研究提供一种新的思路。

湖泊是大气甲烷重要的自然源和汇，而微生物是湖泊甲烷产生和转化的主要驱动者，因而对微生物群落结构与功能及其对环境响应机制的解析，有助于系统地理解湖泊甲烷产生与转化过程。由于我国湖泊普遍面临富营养化威胁，富营养化会导致湖泊甲烷净通量增加，解析富营养压力下湖泊甲烷产生和转化过程的变化机制尤为重要。. 本项目以滇池和洱海两个典型湖泊为研究对象，结合场地研究与实验室模拟，解析湖泊中甲烷产生和转化相关微生物群落结构和功能的时空变化特征及其驱动因子，揭示富营养化对甲烷产生与转化过程的影响机制，并结合稳定同位素探针实验探讨群落潜在的适应和反馈机制。得到主要结论如下：. 湖泊中细菌、古菌及与甲烷产生转化相关的功能群落的丰度和组成存在时空差异，无机氮、有机碳等与湖泊营养水平相关的指标是驱动上述特征的重要因素。富营养化湖泊中，高有机质含量和无机氮形态、含量的变化影响了甲烷产生和转化过程发生的空间范围和途径。有机质在沉积物中的积累扩大了产甲烷活动发生的空间区域。氨氮通过不同机制抑制好氧和厌氧甲烷氧化过程，无机氮形态的转化驱动不同甲烷氧化途径相对贡献的季节性变化。. 在富营养化压力下，微生物群落发生优势物种的演替，以及功能基因丰度和转录水平的变化。甲基营养产甲烷古菌丰度上升，有助于产甲烷微生物群落适应较高的硝氮水平，并缩短碳转化途径；甲烷氧化群落丰度增加、转录上调、优势类群变化，反馈高氨氮对甲烷氧化的抑制作用。. 本项目从微生物群落结构和功能层面解析甲烷产生和转化过程的时空变化特征及其影响因素，并揭示了富营养压力下相关微生物群落的适应机制。研究结果有助于增进对湖泊碳循环过程对富营养化的响应机制的认知，为湖泊甲烷排放的控制和管理提供重要的微生物学依据。