湿地系统反硝化型甲烷厌氧氧化过程及其影响因素研究

As the most significant natural source of atmospheric methane, wetlands are responsible for approximately 20~40% of the global annual methane emissions. Denitrifying anaerobic methane oxidation (DAMO), which couples methane oxidation to nitrite/nitrate reduction, is one of the most important discoveries in the fields of environmental science and microbiology. The DAMO process has important ecological significance, which may serve as an important pathway for methane oxidation in wetlands. So far, however, it is not well known the contribution of the DAMO process in reducing methane emissions from wetlands and its controlling factors. The current project intends to investigate the community structures and activity of DAMO microorganisms, and the main environmental factors influencing the DAMO process in natural freshwater wetland soils and constructed wetland soils by using molecular biology techniques, stable isotope techniques, and microcosmic incubation experiments. The aim of this project is to make clear the quantitative contribution of the DAMO process to microbial methane oxidation in wetlands and its environmental regulation mechanisms. Such a project can supplement biogeochemical cycles of carbon and nitrogen for wetland systems. Such a project can also improve the mechanisms for microbial methane oxidation in wetland systems, thus providing a scientific basis for reducing methane emissions from wetlands.

湿地是全球最大的甲烷自然排放源，其每年甲烷排放总量占全球的20~40%。以甲烷为电子供体，以亚硝酸盐/硝酸盐为电子受体的反硝化型甲烷厌氧氧化（denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO）反应是最近环境领域和微生物领域的重大发现，具有重要的生态学意义，是湿地温室气体甲烷氧化潜在的重要途径。但目前，人们对DAMO过程在控制湿地温室气体甲烷排放中的贡献及其调控因子知之甚少。本项目拟以天然淡水湿地和人工湿地作为研究对象，主要采用分子生物学、稳定同位素示踪等技术手段，结合微宇宙模拟试验，系统研究湿地土壤中DAMO微生物群落分布特征、DAMO作用强度及其主要影响因素，从而探明DAMO在湿地甲烷氧化中的贡献及其环境调控机制。研究结果可以丰富湿地氮循环耦合碳循环过程的理解，完善湿地甲烷氧化的微生物机制，为减少湿地甲烷排放通量提供科学基础。

以亚硝酸盐/硝酸盐为电子受体的反硝化型甲烷厌氧氧化（denitrifying anaerobic methane oxidation, DAMO）反应是最近生态学领域和微生物学领域的重大发现。DAMO可能代表了温室气体甲烷氧化的重要途径，成为全球气候变化研究的重要内容。湿地作为全球最大的天然甲烷排放源，由于长期或间歇性淹水，具有好氧/厌氧界面，其厌氧区是发生DAMO反应的合适生境。但目前，有关DAMO在控制湿地甲烷排放通量中的贡献及其环境调控机制知之胜少。本项目对湿地土壤中DAMO微生物群落结构特征、DAMO作用强度及其主要影响因素进行了系统研究。本项目圆满完成了计划任务，取得以下主要研究成果：1）发现了天然淡水湿地和人工湿地系统中存在多样性的亚硝酸盐和硝酸盐型DAMO微生物，不同湿地环境中分布的亚硝酸盐和硝酸盐型DAMO微生物群落组成和多样性存在显著差异，但其随时间变化不显著。2）揭示了天然湿地和人工湿地系统中亚硝酸盐型DAMO细菌数量显著高于硝酸盐型DAMO古菌，两者的16S rRNA基因丰度分别为106~107拷贝g-1(土壤)和103~105拷贝g-1(土壤)。3）发现了天然湿地和人工湿地系统中普遍存在亚硝酸盐和硝酸盐型DAMO反应，但前者的甲烷氧化活性（0.4~61.0 nmol CO2 g-1 (土壤)）显著高于后者（0.3~20.0 nmol CO2 g-1 (土壤)），并揭示了反硝化是提供亚硝酸盐型DAMO电子受体NO2-的重要途径。4）综合分析了DAMO在控制不同湿地系统甲烷排放中的贡献，该反应可分别减少天然湿地和人工湿地约3-35%和2-18%的甲烷排放通量，阐明了DAMO，尤其是亚硝酸盐型DAMO是湿地系统中一类不可忽视的甲烷汇。5）探明了影响湿地系统中DAMO微生物分布及其甲烷氧化活性的关键环境因子，主要包括pH、氧化还原电位、CH4和NO3-浓度等，完善了DAMO反应的生态学内容。