锰矿物驱动湿地甲烷厌氧氧化及相关机理研究

The methane emission from wetlands is known as one of the main paths of the greenhouse gases sources and sinks, causing global warming and widespread concerns by social and scientific communities. However, the existing researches focused on the process and mechanism of methane emission from wetlands, while less understanding the feasibility of methane reduction and the process in wetland system. Hence, based on the latest research progresses of physical and chemical effects of manganese oxide in mineral oral and on the surface of plant roots, manganese biogeochemical cycle and anaerobic methane oxidation, this proposed research is trying to probe a new method to reduce the methane emission from wetlands equiped with natural manganese ore as padding in the wetlands. The methane reduction can be co-catalyzed by the interphase effect on the surface of natural manganese ore, anaerobic methanotrophic archaea, manganese reducing and oxidizing bacteria and the rhizospheric oxygen delivering phenomenon. The proposed research will focus mainly on the mechanism study of anaerobic oxidation of methane as well as inhibition of methanogens by manganese ore, the oxidation process of methane by manganese oxide film on plant roots, and then develop a hybrid manganese-driven methane reduction system. By detecting the characterization of physical and chemical change on manganese ore during the reaction process, the quantitative analysis of methane and its products, biodiversity analysis and other related researches, this work will hopefully make great contribution to the reduction of methane emission from wetlands with a new pathway and theory.

湿地甲烷排放是全球温室气体的主要来源之一，正成为全球性的重大环境和气候问题。湿地甲烷的消减逐渐引起科学界的高度关注。现有研究主要专注于湿地产甲烷的过程和影响因素，对湿地甲烷消减途径和相关科学问题尚缺乏系统认识。本项目在分析锰矿物和植物根表铁锰氧化物胶膜物理化学特性、锰生物地球化学循环等研究新进展的基础上，提出在天然锰矿物相界面效应、甲烷厌氧氧化菌、锰还原/氧化菌和植物根系泌氧等协同作用下，与锰化学价态循环相耦合的湿地甲烷消减新方法的理论假设；并以此假设为指导，开展锰矿物驱动的甲烷厌氧氧化、湿地产甲烷抑制、植物根系铁锰氧化物胶膜表面的甲烷氧化等反应效果和机理研究，构建锰矿物驱动的湿地甲烷消减体系；通过反应过程中锰矿物表面物理化学形态变化分析、甲烷及其代谢产物的定量分析、微生物分子生物学鉴定等多种方法探索锰矿物驱动的湿地甲烷消减机理，为湿地系统甲烷减排提供新的方法和理论指导。

湿地甲烷排放是全球温室气体的主要来源之一，正成为全球性的重大环境和气候问题。以锰矿物驱动下的异化金属还原与甲烷厌氧氧化作用相协同，大幅消减湿地甲烷排放为目标，开展了锰矿物填料垂直流人工湿地甲烷减排实验，湿地内部碳归趋途径实验，锰矿物驱动甲烷厌氧氧化机理实验，四价锰为电子受体的甲烷厌氧氧化菌富集实验等研究工作；通过不同填料湿地下甲烷消减效果对比、碳在湿地内部的转变途径及物料衡算，以及分子微生物学分析，探索甲烷在锰矿物湿地内部的减排途径，为湿地甲烷减排提供新方法。项目通过研究，取得如下研究进展和学术业绩：.①开展以锰矿物为湿地填料的垂直流湿地甲烷消减实验研究，研究锰矿物湿地对甲烷的消减效果。研究发现，长期稳定运行的锰矿填料人工湿地比普通砾石填料湿地对有机污染物的去除效果更好，且能实现甲烷有效减排。.②开展了锰矿石人工湿地中碳归趋途径研究，分析湿地内部有机碳去除过程。研究表明，锰矿湿地中的有机碳主要通过异化金属还原和甲烷厌氧氧化过程转变为无机碳同时伴随着锰离子的生成，这些新生成的无机碳和锰离子进一步结合生成碳酸盐沉淀留在湿地内部，而普通砾石湿地的有机碳则通过厌氧产甲烷途径以甲烷和二氧化碳形式排出系统外。.③开展了锰矿驱动的甲烷厌氧氧化过程和湿地关键作用的微生物种群和甲烷厌氧氧化菌的种群研究。研究发现，锰矿湿地内部存在以异化金属还原菌主导的细菌和以氢型产甲烷菌为主导的古菌，发现了湿地中存在甲烷厌氧氧化古菌，且同位素实验和物料平衡实验证明了四价锰驱动的甲烷厌氧氧化过程在锰矿湿地甲烷削减过程中起主导作用。.④富集了以四价锰为电子受体的甲烷厌氧氧化古菌。研究发现，无论是天然锰矿石还是合成锰矿物均可以作为电子受体进行甲烷厌氧氧化过程。初步研究表明甲烷厌氧氧化过程可能是多种微生物协同工作的体系。.项目研究结果和新发现可能会对湿地甲烷减排以及锰矿物驱动的甲烷厌氧氧化过程的理论产生重要影响。