氮素和氧气对水稻土中甲烷氧化的调控机理

【摘要】：稻田生态系统是温室气体甲烷的重要排放源之一,然而生长在稻田好氧区域的甲烷氧化菌可以减少稻田因厌氧产生的甲烷向大气的排放。稻田中甲烷氧化菌的生长和活性受到许多环境因子如氮素和氧气的调控。氮肥施用是重要的农业管理措施,主要用来提高水稻产量。本论文采用杭州的水稻土为材料,通过一系列生物地球化学和微生物分子生态学的研究方法,系统地研究了氮肥和氧气对水稻土中甲烷氧化和相关微生物群落的影响以及可能的分子机制。 对水稻土进行实验室好氧培养,通过添加一系列浓度的铵态氮和硝态氮来分析不同形态氮素对甲烷氧化的影响。结果发现,铵态氮和硝态氮均能促进水稻土中的甲烷氧化,氮素对甲烷氧化的促进作用随氮素浓度的增加而增强,且同一水平的硝态氮比铵态氮有更强的促进作用。通过运用T-RFLP、定量和克隆测序的方法对土壤中总体细菌和功能性种群的群落结构及丰度进行分析。结果发现,甲烷氧化菌群落由I型和Ⅱ型甲烷氧化菌组成,但I型甲烷氧化菌占主导。铵态氮肥仅促进I型甲烷氧化菌的生长,但抑制了Ⅱ型甲烷氧化菌,而硝态氮肥则同时促进了I型和II型甲烷氧化菌的生长。另外,硝态氮显著促进了nirS型反硝化细菌以及可执行反硝化作用的嗜甲基菌科iMethylophilaceae)的生长。因此,硝态氮可能是水稻土甲烷氧化菌的更佳氮源。进而,结合稳定同位素标记(SIP)和宏转录组学技术分析了甲烷氧化菌各基因在氮素受限条件下的表达响应规律。结果表明,氮素受限显著促进了氮素同化过程相关基因的表达,暗示了甲烷氧化菌对氮同化有更多的需求用来解决氮不足的问题。但是,氮素受限显著抑制了产能过程(甲醛异化过程和电子传递链)和合成代谢过程(甲醛同化、氨基酸的合成代谢、蛋白代谢以及转录和翻译过程等)的相关基因的表达。 通过设置不同水平的初始氧气浓度来分析氧气对水稻土甲烷氧化的影响。氮素受限条件下,5%氧气浓度有利于甲烷的氧化,但是氮素添加后,其对甲烷氧化的促进作用随氧气浓度的增加而增强,且在所有氧气水平,硝态氮对甲烷氧化的促进作用都高于铵态氮。通过稳定同位素标记(SIP)结合T-RFLP和454焦磷酸测序的方法对土壤中同化13C的细菌和甲烷氧化菌的群落结构进行分析。结果发现,在所有氧气水平,甲基八叠球菌属(Methylosarcina)代表的I型甲烷氧化菌在氮素添加后能快速成为优势菌群。各个氧气水平下,硝态氮还能促进甲烷同化进入甲基细菌属(Methylobacter)以及少部分可能执行反硝化作用的非甲烷氧化菌中。另外,甲基单胞菌属(Methylomonas)和甲基微菌属(Methylomicrobium)可能对较高浓度的铵态氮有较强忍耐力,主要在0.5%氧气水平发挥甲烷氧化活性,因此甲烷氧化菌仍能适应氧气极低的环境。进而,结合SIP和宏转录组的方法分析了甲烷氧化菌各基因在氧气受限条件下的表达响应规律。结果表明,较低的氧气浓度显著抑制了氮素同化过程和甲醛氧化的四氢甲基蝶呤依赖型异化途径(H4MPT)相关基因的表达,但与电子传递链相关的一些酶以及发酵产氢过程相关酶的编码基因的表达有上调的趋势。 综上所述,通过实验室培养的方法,本论文的研究结果系统全面的研究了氮素和氧气因子对水稻土中甲烷氧化及相关的微生物群落的影响,并且解释了这些环境因子调控水稻土甲烷氧化的微生物学机理,为稻田甲烷减排提供了基础的科学依据和微生物学理论基础。 【关键词】：水稻土 氮肥 铵态氮 硝态氮 氧气 甲烷氧化细菌 稳定同位素标记技术(SIP) 454焦磷酸测序 宏转录组学
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S154.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究意义10
• 1.2 甲烷氧化及其微生物学10-14
• 1.3 氮素对甲烷氧化的影响14-18
• 1.4 氧气对甲烷氧化的影响18-20
• 1.5 微生物生态学方法20-22
• 1.6 研究目的、内容和技术路线22-24
• 第二章 不同形态氮素对甲烷氧化及相关微生物群落的影响24-46
• 2.1 引言24
• 2.2 材料和方法24-28
• 2.3 结果28-43
• 2.4 讨论43-44
• 2.5 小结44-46
• 第三章 氮素调控下的甲烷氧化及相关微生物对氧气的响应46-71
• 3.1 引言46
• 3.2 材料和方法46-51
• 3.3 结果51-67
• 3.4 讨论67-70
• 3.5 小结70-71
• 第四章 氮素和氧气调控甲烷氧化菌的宏转录组分析71-109
• 4.1 引言71
• 4.2 材料和方法71-75
• 4.3 结果75-102
• 4.4 讨论102-108
• 4.5 小结108-109
• 第五章 全文总结和展望109-111
• 5.1 全文总结109
• 5.2 创新点109-110
• 5.3 存在的问题及展望110-111
• 参考文献111-120
• 致谢120-121
• 个人简介121

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