大量研究显示氮沉降影响森林甲烷吸收量,但其中的微生物驱动机制仍缺乏研究.基于长白山典型温带森林长期氮沉降模拟实验平台样地,采用定量PCR和克隆测序技术,研究了长期施加不同形态氮((NH4)2SO4、NH4Cl和KNO3)处理下森林土壤甲烷氧化菌的数量和群落组成随季节变化的特征.结果表明,夏季,森林土壤甲烷氧化菌pmoA基因丰度在不同施氮处理之间无显著性差异(每克干土1.54× 106-3.20× 106拷贝数);秋季,pmoA基因丰度在施加NH4Cl和(NH4)2SO4处理小区(每克干土1.93× 105-7.6× 105拷贝数)与对照(每克干土(4.03× 106± 1.2× 106)拷贝数)相比有所降低,尤其在(NH4)2SO4处理小区(每克干土(4.61×105 ±2.61×105)拷贝数)显著降低;无论夏季还是秋季,施加不同形态氮处理土壤甲烷氧化菌均以Type Ⅰ型为主(相对丰度在70.6％-85.4％之间),并以Methylobacter-group(Type Ⅰ)为优势类群,占Type Ⅰ型的55.1％-91.7％;Methyobacter-group(Type Ⅰ)的相对丰度在夏季不同形态氮处理土壤样品中无显著差异,但秋季样品中在施加(NH4)2SO4(52.7％±6.5％)和NH4Cl(56.1％±8.9％)的处理显著低于对照土壤(77.0％±2.9％),Methylococcus-group(Type Ⅰ)的相对丰度则在(NH4)2SO4和NH4Cl处理土壤呈增加的趋势.这些结果表明铵态氮肥添加对温带森林土壤甲烷氧化菌的生长具有抑制作用并导致其群落结构发生改变,受夏季温度和水分的影响,这种抑制作用在秋季表现更明显,而NO;-N添加对土壤甲烷氧化菌的群落组成和丰度无显著影响.这些结果解释了以往观测到的施铵态氮肥显著降低秋季温带林地土壤甲烷净吸收量,而在夏季无显著影响的观测结果,解释了长期氮沉降影响森林土壤甲烷吸收的微生物机制.

氮依赖型甲烷厌氧氧化菌(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation bacteria,n-damo细菌,属于NC10门)是最近10年来微生物生态学领域的研究热点.然而,对该类群基于现有数据的生态分布、群落结构和系统进化的整合分析还未见报道.[目的]为了更好地将近年来针对该类群的研究做一次全面梳理,本文通过整合前人已有发表数据和结合自身实验数据两方面进行.[方法]一方面,利用NCBI数据库(数据搜集到2016年11月)中所有n-damo细菌序列对其进行生物信息学分析;另一方面,对大九湖泥炭地表层泥炭利用16S rRNA二代测序技术对该类群进行检测,并同前人数据进行对比.[结果]n-damo细菌主要在沉积物、湿地和水稻土检出;基于pmoA基因的n-damo细菌的平均检出率是基于16SrRNA基因检出率的7倍,但是这两类基因分子标记物所得到的多样性指数保持相对稳定(1.4-3.4);贫氮的大九湖泥炭其NC10的丰度仅为0.067％.[结论]n-damo类群种群相对稳定,暗示其行使的生态功能相对单一;贫氮的大九湖泥炭其极低的NC10丰度暗示氮对NC10是限制因子;具有真正氮依赖型甲烷厌氧氧化细菌的Group A可能只占很少的一部分(小于20％),暗示出该类群真正的生态潜能需要进一步评估.本次整合分析为更好的理解n-damo细菌的生活环境、评估不同基因分子标记物下n-damo细菌的检出率、不同亚类群比如Group A和Group B等的丰度和真正的潜在生态功能提供参考.

[目的]针对我国甘肃三个典型生态区草地土壤(玛曲MQ、临泽LZ和环县HX),研究其甲烷氧化潜力、甲烷氧化菌(methane-oxidizing bacteria,MOB)丰度及可能存在的群落分异规律.[方法]通过原位分析、室内高浓度甲烷模拟培养三种典型土壤及实时荧光定量、高通量测序的方法研究甲烷氧化菌标靶基因pmoA序列的组成及其丰度变化规律.[结果]三种典型草地土壤的原位甲烷氧化菌的丰度存在显著差异,表现为MQ＞HX＞LZ,其数量范围为为0.18-6.86×107g/d.w.s.;甲烷氧化潜力也表现出类似规律,其通量为109-169 mg/(m2.h);甲烷氧化潜力与原位土壤中甲烷氧化菌丰度有正相关.三种草地土壤甲烷氧化菌存在明显的空间异质性,采用高通量测序的方法,发现三种草地原位土壤中的优势类群为USC7 (Upland Soil Cluster gamma,USCγ);然而,室内高浓度甲烷氧化过程中,传统的甲烷氧化菌均发生明显增加,MQ土壤中Type Ⅱ的Methylocystis为优势类群,而LZ和HX土壤的优势类群均为TypeⅠ型Methylosarcina.[结论]这些研究结果表明,我国甘肃典型草地土壤中也存在难培养的大气甲烷氧化菌和经典的可培养甲烷氧化菌,这些微生物极可能氧化极低浓度的大气甲烷,也可能利用闭蓄于土壤中的高浓度甲烷生长.未来应采用先进技术原位观测大气甲烷氧化过程并分离相应微生物类群,研究草地土壤甲烷氧化菌地理分异规律及其环境驱动机制.

为了研究人工湿地处理中碳/氮水平的废水时植物种类及多样性对系统甲烷释放及功能基因丰度的影响,我们构建了实验尺度的人工湿地微宇宙实验系统.选取千屈菜(Lythrum salicaria L.)和海寿花(Pontederia cordata L.)2种人工湿地常用、景观效果好的植物,在系统中配置了单种处理和两物种混种处理.结果 表明:千屈菜与海寿花混种系统的甲烷释放强度(8.78 mg CH4 m-2 d-1)高于两物种单种系统的平均值(6.97 mg CH4 m-2 d-1) (P＜0.001),同甲烷释放一样,混种系统的mcrA基因绝对丰度(977541.6 copies/g dw soil)也高于两物种单种系统的平均值(585146.8 copies/g dw soil),但混种系统的pmoA基因绝对丰度(326956.6 copies/g dw soil)低于两物种单种系统的平均值(1043616.0 copies/g dw soil)(P＜0.001).此外,混种系统的微生物量、植物生物量高于两物种单种系统的平均值(P＜0.01),但出水铵态氮浓度低于两物种单种系统的平均值(P＜0.05),出水总有机碳浓度和硝态氮浓度在单混种系统间无显著差异(P＞0.05).千屈菜单种系统和海寿花单种系统间的甲烷释放强度、pmoA基因绝对丰度、微生物量、植物生物量和出水铵态氮浓度存在显著差异(P＜0.05),但mcrA基因绝对丰度、出水总有机碳和硝态氮浓度无显著差异(P＞0.05).为了达到人工湿地的高净化效率,需要将千屈菜与海寿花混合种植,但混合种植强化甲烷释放.通过植物种类和丰富度对各指标变异的解释度(ω2)分析发现,植物种类对甲烷释放、pmoA基因绝对丰度、出水铵态氮的影响大于植物丰富度,但对mcrA基因绝对丰度的影响小于植物丰富度.

[目的]甲烷氧化细菌(MOB)长期以来一直被用作石油和天然气勘探的重要油气指示菌,其仅能利用甲烷作为唯一碳源.根据甲烷氧化菌菌群特征结合地质剖面可以较好地预测深部油气藏,为石油勘探提供良好的数据支撑.由于传统平板培养法只能针对可培养甲烷氧化菌,方法具有一定局限性.[方法]本文采用分子生物学技术结合地球化学烃类指标研究了顺北典型油气藏上方土壤中甲烷氧化菌的分布.[结果]研究结果显示,油气田上方pmoA基因拷贝数与酸解烃含量具有一定的正相关性,且油气区比背景区高0.5-2个数量级.16S rRNA基因高通量测序和pmoA基因的克隆文库结果显示顺北油藏上方土壤中甲烷氧化菌主要以Ⅰ型为主,水平剖面中甲烷氧化菌随着离油田距离增加存在Ⅰ型向Ⅱ型演变的现象,且Methylomonas sp.在背景区与油气区的丰度有较大差异,具有良好的油气指示潜力.[结论]综上所述,长期微渗透过程中甲烷氧化菌(MOB)的菌群特征对预测深层油藏具有一定的指示作用,结合地质剖面和地表烃类可以有效预测有利油藏区域.

泥炭沼泽是长期储存碳最有效的陆地生态系统.水文特征和微地貌可能会通过调控微生物群落和功能影响泥炭地碳储存.本研究以长白山金川泥炭沼泽为研究对象,选取-10、-1、0、4、10、13、14和18 cm八个水位埋深,并在各水位埋深点采集臌囊薹草(Carexs chmidtii)草丘和丘间微地貌的土壤样品,以探究水位埋深和微地貌对土壤微生物量碳氮、酶活性及甲烷功能基因的影响.结果表明:微生物量碳氮受水位埋深影响因土壤层不同而不同,两者在草丘30～45 cm和丘间0～15 cm 土壤层呈显著正相关.土壤碳氮循环相关的酶(β-1,4-葡萄糖苷酶和β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶)活性与水位埋深呈显著正相关且受土壤层调控,磷酸酶活性与水位埋深无关.此外,水位埋深与甲烷还原菌丰度(每克干土的rncr4功能基因拷贝数)呈显著负相关,而与甲烷氧化菌丰度(每克干土的pmoA功能基因拷贝数)呈显著正相关,且水位埋深对甲烷还原菌丰度的影响更大.草丘微地貌显著影响微生物量碳,同为15～30 cm 土壤层,其含量表现为草丘＞丘间;处于相同海拔的草丘15～30 cm和丘间0?15 cm,其含量表现为丘间＞草丘.草丘微地貌也显著影响甲烷氧化菌丰度,同为15～30cm 土壤层,甲烷氧化菌丰度表现为草丘＞丘间.本研究表明,泥炭地空间异质性对微生物活性具有重要影响,从定点研究到大尺度估算的尺度放大过程中,应对这一现象充分考虑.

湖泊生态系统排放的甲烷(CH4)大部分来自湖滨湿地,好氧甲烷氧化细菌(methane-oxidizing bacteria,MOB)在减轻CH4从湖泊系统向大气的排放中起着至关重要的作用.湖滨湿地好氧MOB群落分布及其影响因素尚不清楚.采用qPCR、末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)等方法,分四季对贵州草海湖滨湿地宽敞水域至落干区沉积物中好氧MOB群落组成和数量进行了研究.草海湖滨湿地沉积中甲烷氧化单加氧酶功能基因(pomA)丰度较高,在1.78× 107-2.73×108拷贝数/g干沉积物之间,好氧MOB由Ⅰ型(Methylococcus and Methylobacter)和Ⅱ型(Methylosinus)组成,Ⅰ型主要分布在宽敞水域(长期淹水区),而干湿过渡区和偶尔积水区主要为Ⅱ型,呈现出明显的空间变化,推测湖滨湿地长期淹水区甲烷的氧化由Ⅰ型主导,而相对干旱的区域Ⅱ型主导,而这种差异可能是导致湖滨湿地甲烷排放高度异质性的一个重要因素.研究结果对揭示湖滨湿地甲烷排放时空异质性的微生物生态机制奠定了基础.

为探究光照条件下添加不同电子受体对土壤甲烷排放的影响及微生物的响应,本研究在土壤中添加3种电子受体(Fe3+、NO3-、SO42-)共设计8个处理,即黑暗+ Fe3+(DF)、黑暗+NO3-(DN)、黑暗+SO42-(DS)、黑暗+蒸馏水(DCK)、光照+Fe3+(LF)、光照+NO3-(LN)、光照+SO42-(LS)、光照+蒸馏水(LCK),通过20 d的严格厌氧培养,分析甲烷浓度的变化以及细菌、古菌、真菌及6种土壤功能微生物基因丰度的变化.结果 表明:除Fe3+处理组外,NO3-、SO42-和对照(CK)组在光照条件下的甲烷排放显著低于黑暗条件下.土壤细菌、古菌、真菌丰度分别在DN、DCK、LF处理组中显著上调.产甲烷菌mcrA、硫酸盐还原菌Dsr、固碳菌CbbL基因丰度均在LF组中显著上调,而甲烷氧化菌pmoA、铁还原菌Geo、反硝化细菌nosZ基因丰度分别在LN、DCK、LCK组中显著上调.Pearson相关性及冗余分析表明,CH4排放与CO2浓度、pH、铵态氮、总氮含量呈显著正相关,与N2O浓度、氧化还原电位、硝态氮、总碳含量呈显著负相关.黑暗条件下甲烷排放浓度与古菌、pmoA基因丰度呈正相关,与其他功能基因均呈负相关.光照条件下甲烷排放浓度与微生物及功能基因丰度均呈负相关.总体上,光照条件下的甲烷排放显著低于黑暗条件下(除Fe3+处理外),说明光照条件有助于甲烷减排,且甲烷排放的增减和环境中的电子受体种类及微生物的功能响应密切相关.

[背景]焦化废水O/H/O生物处理工艺的二级好氧生物反应器O2具有剩余污染物矿化和完全硝化功能,对废水的达标排放有重要作用.[目的]阐明O2生物反应器的微生物结构和功能.[方法]利用16SrRNA基因测序,研究O2生物反应器的微生物多样性和组成并进行功能预测,揭示其共现性特征和环境影响因子.[结果]O2的优势菌门以变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿菌门(Chlorobi)为主.主要菌属中红游动菌属(Rhodoplanes)、溶杆菌属(Lysobacter)、硫杆菌属(Thiobacillus)等参与化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)、酚类(phenols)和硫氰酸盐(thiocyanate,SCN-)等剩余污染物的去除,亚硝化弧菌属(Nitrosovibrio)和硝化螺菌属(Nitrospira)分别作为氨氧化细菌(ammonia-oxidizing bacteria,AOB)和主要的亚硝酸盐氧化细菌(nitrite-oxidizing bacteria,NOB).功能预测结果显示苯甲酸酯降解、氨基苯甲酸酯降解、氯烷烃和氯烯烃的降解、氟代苯甲酸酯降解和硝基甲苯降解是外源物质生物降解和代谢的前五大通路,广泛分布在主要菌属中,验证了微生物降解剩余污染物的作用.基因pmoA/B/C-amoA/B/C、hiao和nxrA/B编码相关的酶,组成了完整的硝化途径.共现网络结果揭示溶杆菌属、Candidatus Solibacter和红游动菌属在O2生态中的重要地位.通过冗余分析(redundancy analysis,RDA)表明COD和NH3是影响O2微生物群落的主要因素.[结论]红游动菌属和溶杆菌属是O2中最核心的功能菌属,在污染物矿化和维持群落生态稳定上有重要作用.亚硝化弧菌属和硝化螺菌属是硝化作用的核心菌属.O2中的代谢通路以剩余污染物矿化和完全硝化为主,微生物群落主要受COD和NH3的影响.本研究阐明了O2的微生物结构与功能,为焦化废水O/H/O生物处理工艺的改进提供了微生物学上的依据.

使用便携式温室气体分析仪对位于玉树藏族自治州和玛多县的高寒沼泽、高寒草甸、高寒草原和高寒荒漠生态系统的CH4通量进行原位观测,同时分析生物量、微生物、营养元素、土壤水分和温度等因子,旨在明确不同生态系统CH4通量时空差异及其主要影响因素.结果表明:在生长季节高寒沼泽和高寒草甸是CH4源,8月通量达到最大值,高寒草原和高寒荒漠是CH4的汇,8月达到最小值,4种生态系统之间的CH4通量差异显著(P＜0.05);高寒沼泽的mcrA基因丰度最大,高寒草甸次之,而pmoA丰度则是高寒草甸最大高寒沼泽次之,高寒荒漠的mcrA和pmoA基因丰度均最小,4种生态系统之间差异显著(P＜0.05);Pearson相关分析显示,生长季节高寒沼泽和高寒草甸的CH4通量与土壤温度和mcrA显著正相关(P＜0.05),高寒草原和高寒荒漠的CH4通量与土壤温度和与pmoA显著负相关(P＜0.05),不同生态系统之间CH4通量则与土壤水分、有机碳、总氮、生物量、mcrA和pmoA显著相关(P＜0.05);路径分析显示,土壤有机碳、mcrA和pmoA丰度直接对CH4排放产生显著影响,土壤温度和水分则是通过影响土壤微生物菌群丰度间接影响CH4排放;在所有的关键影响因子中,mrcA丰度对CH4通量的相对贡献率最高,达到30.53％,其次是有机碳和生物量.总之,高寒生态系统间CH4通量差异是由于微生物、有机碳、生物量等因素的不同造成的,高寒地区的CH4排放模拟估算时需考虑不同生态系统CH4排放的异质性.