氮素影响土壤甲烷氧化及其微生物学机理

【摘要】：甲烷氧化细菌在全球碳循环中起着至关重要的作用。但是,甲烷氧化细菌的生长与活性受到许多环境因素的影响。氮素是影响土壤甲烷氧化及甲烷氧化细菌群落结构、活性与数量的重要因子,是近几十年国内外的研究热点。但是其影响机制却一直未得到明确的阐述。本论文通过一系列的研究方案,借助宏转录组学等研究方法,系统的探索了氮素对土壤甲烷氧化及甲烷氧化细菌的影响及其内在机制。主要获得以下研究结果。第一,比较了铵态氮素对不同类型土壤的甲烷氧化及甲烷氧化细菌群落组成的影响。结果发现,铵态氮的添加对水稻土和沼泽土甲烷氧化起促进作用,但抑制旱地土壤的甲烷氧化。通过对比分析甲烷氧化细菌群落结构和数量,揭示出甲烷氧化细菌群落结构的改变是造成土壤甲烷氧化速率变化的重要原因。第二,比较了不同形态氮素(铵态氮和硝态氮)的连续添加对杭州水稻土甲烷氧化过程相关微生物的影响,结果发现,在以甲烷碳为唯一初始碳源的富集培养中,铵态氮和硝态氮分别导致了不同的甲烷氧化过程的相关微生物组成。铵态氮最终构建了一个Methylocystis属(80%)为绝对优势种群的微生物群体；硝态氮最终构建了以Methylophilus属(约40%)和Methylocystis属(约45%)为主的群体。不同形态的氮素能够“定向选择”不同的细菌组成稳定的微生物群体。第三,通过对铵态氮刺激得到的甲烷氧化富集物进行一系列铵态氮浓度梯度试验,揭示出甲烷氧化过程与固氮作用的关系及铵态氮对这两个过程的影响。实验结果显示：当铵态氮浓度超过10 mM时富集物的生长受抑制；当铵态氮浓度过低时,富集物通过启动固氮作用来缓解氮素的不足,但是甲烷氧化速率下降；添加铵态氮能够使得固氮作用立即停止,并且甲烷氧化速率上升。第四,通过宏转录组分析发现铵态氮刺激得到的甲烷氧化富集物中Methylocystis属甲烷氧化细菌拥有两套pMMO编码基因(pmoCABl和pmoCAB2), pmoCAB1基因在起主要作用；Methylocystis属甲烷氧化细菌执行丝氨酸代谢、TCA循环和丙酮酸代谢等过程不受铵态氮的影响；当氮缺乏时,Methylocystis属甲烷氧化细菌细胞通过一系列的调控机制(ntr调控系统)启动固氮作用。此时,甲醛氧化与甲酸氧化过程所产生的还原力需要分流到固氮过程,造成甲烷羟基化过程可用电子的降低,进而降低了甲烷氧化能力；当额外添加铵态氮后,细胞受到铵态氮刺激而关闭固氮过程,从而解除了固氮作用与甲烷羟基化过程的电子竞争。甲烷羟基化过程有了充足的电子供应,进而提升了甲烷氧化能力。第五,对硝态氮刺激得到的甲烷氧化富集物进行一系列的不同处理实验,结果表明氮素的添加促进富集物反硝化作用的同时刺激富集物甲烷氧化过程,即揭示出氮素的添加使得富集物能够通过耦合反硝化作用促进甲烷氧化。本论文首次揭示了固氮作用对甲烷氧化过程的影响,阐明了铵态氮添加缓解固氮作用与甲烷氧化过程的电子竞争机制,从而促进甲烷氧化的机理。同时,也是首次揭示出氮素的添加使得水稻土甲烷氧化富集物通过耦合反硝化作用促进甲烷氧化过程。这些结果对理解氮肥影响土壤甲烷氧化能力具有重要的贡献。 【关键词】：甲烷氧化 甲烷氧化细菌 氮 固氮作用 宏转录组学 反硝化
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S154
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 缩写词表7-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 研究意义10-11
• 1.2 甲烷氧化细菌概况11-15
• 1.3 甲烷氧化细菌与氮循环15-19
• 1.4 氮素影响甲烷氧化的研究进展19-22
• 1.5 微生物生态学研究方法22
• 1.6 研究目的、内容和技术路线22-26
• 第二章 材料与方法26-44
• 2.1 材料26-27
• 2.2 方法27-44
• 第三章 氮素对甲烷氧化过程相关微生物组成的影响44-58
• 3.1 前言44
• 3.2 材料与方法44-45
• 3.3 结果45-54
• 3.4 讨论54-56
• 3.5 小结56-58
• 第四章 固氮作用对甲烷氧化过程的影响58-70
• 4.1 前言58
• 4.2 材料与方法58-60
• 4.3 结果60-67
• 4.4 讨论67-69
• 4.5 小结69-70
• 第五章 宏转录组揭示铵态氮促进甲烷氧化机理70-108
• 5.1 前言70
• 5.2 材料与方法70-71
• 5.3 结果71-99
• 5.4 讨论99-107
• 5.5 小结107-108
• 第六章 耦合反硝化过程促进甲烷氧化108-124
• 6.1 前言108
• 6.2 材料与方法108-110
• 6.3 结果110-119
• 6.4 讨论119-122
• 6.5 小结122-124
• 第七章 结论与展望124-126
• 7.1 主要结论124-125
• 7.2 主要创新点125
• 7.3 展望125-126
• 参考文献126-136
• 附录136-150
• 致谢150-152
• 个人简历152

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