大氣CO_2濃度升高下稻田土壤甲烷氧化的微生物調(diào)控機(jī)理

【摘要】：甲烷是一種重要溫室氣體,稻田是大氣甲烷的重要源。最高達(dá)90%的甲烷在進(jìn)入大氣之前已被稻田土壤中的甲烷氧化細(xì)菌所氧化,因此甲烷氧化細(xì)菌在減少稻田甲烷排放方面具有重要作用。到本世紀(jì)中期大氣CO2濃度可能會(huì)增長(zhǎng)到450-550μl1-1,因此,研究大氣CO2濃度升高條件下,稻田土壤甲烷氧化過程的微生物響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)理,是合理制定稻田甲烷減排措施,有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化的一個(gè)重要科學(xué)問題。本研究依托中國(guó)"FACE科學(xué)平臺(tái)”,借助“穩(wěn)定性同位素核酸探針”先進(jìn)技術(shù)平臺(tái),圍繞稻田土壤甲烷過程,利用微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)手段,通過對(duì)比分析高大氣CO2濃度與正常大氣CO2濃度下稻田土壤甲烷氧化過程的差異,揭示未來大氣CO2濃度升高下,稻田甲烷氧化過程的微生物響應(yīng)機(jī)制。 實(shí)驗(yàn)室條件下不同初始甲烷濃度的甲烷氧化過程研究結(jié)果表明,中國(guó)FACE科學(xué)平臺(tái)所處地區(qū)的稻田土壤有著較強(qiáng)的甲烷氧化能力,各初始濃度條件下供試土壤的甲烷氧化速率均在30.5h-47h這一階段達(dá)到最大值,且8000μl1-1和18000μl1-1這兩個(gè)濃度條件下該階段氧化速率大于其他濃度條件。將“穩(wěn)定性同位素核酸探針”技術(shù)與454高通量測(cè)序相結(jié)合對(duì)活躍甲烷氧化微生物進(jìn)行示蹤分析,結(jié)果顯示,除Methylothermus, Methylocella和Methylocapsa外,幾類典型甲烷氧化細(xì)菌均活躍于供試土壤的甲烷氧化過程中,Methylobacter及Methylosarcina這兩類甲烷氧化細(xì)菌是供試土壤中最活躍的甲烷氧化微生物；大氣CO2濃度升高還改變了稻田土壤中甲烷氧化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu),Methylobacter甲烷氧化細(xì)菌的豐度受大氣CO2濃度升高影響有所增加,而Methylosarcina的相對(duì)豐度卻有所降低。通過傳統(tǒng)克隆文庫(kù)分析驗(yàn)證,本實(shí)驗(yàn)中采用的454測(cè)序分析得到的結(jié)果是可靠的。 應(yīng)用實(shí)時(shí)熒光定量技術(shù)對(duì)2009年和2010年水稻典型生長(zhǎng)期根際土壤中甲烷氧化細(xì)菌豐度的觀測(cè)結(jié)果表明,大氣CO2濃度升高促進(jìn)了2009年秧苗期和分蘗期,2010年秧苗期、拔節(jié)期和灌漿期甲烷氧化細(xì)菌的生長(zhǎng),且高氮條件下甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量受大氣CO2濃度升高影響而增加的幅度均顯著大于常氮條件；大氣CO2濃度升高同時(shí)對(duì)2010年常氮條件下成熟期甲烷氧化細(xì)菌產(chǎn)生了較顯著抑制；對(duì)甲烷氧化細(xì)菌主要類群的分析表明,高氮條件下大氣CO2濃度升高提高了稻田根際土壤中Type I類甲烷氧化細(xì)菌的豐度。 本研究揭示了大氣C02濃度升高條件下,稻田土壤甲烷氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量的響應(yīng)情況,為合理制定水稻農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的甲烷減排措施,有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供了一定的參考。 【關(guān)鍵詞】：大氣CO_2濃度升高 稻田土壤 甲烷氧化 甲烷氧化細(xì)菌 穩(wěn)定性同位素核酸探針
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：S511
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 文獻(xiàn)綜述9-22
• 1 稻田甲烷排放9-11
• 1.1 稻田甲烷的產(chǎn)生9-10
• 1.2 稻田甲烷的氧化10-11
• 1.3 稻田甲烷的傳輸11
• 2 甲烷氧化細(xì)菌研究進(jìn)展11-15
• 2.1 甲烷氧化微生物的分類11-13
• 2.2 甲烷氧化細(xì)菌代謝甲烷的生理生化途徑13-14
• 2.3 稻田甲烷氧化細(xì)菌研究進(jìn)展14-15
• 3 大氣CO_2濃度升高對(duì)土壤微生物的影響15-18
• 3.1 大氣CO_2濃度升高對(duì)土壤微生物的影響機(jī)制16-17
• 3.2 大氣CO_2濃度升高對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響17-18
• 3.3 大氣CO_2濃度升高對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響18
• 4 甲烷氧化細(xì)菌的分子生態(tài)學(xué)研究方法18-22
• 4.1 穩(wěn)定性同位素核酸探針技術(shù)19-20
• 4.2 454焦磷酸測(cè)序20
• 4.3 實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)20-21
• 4.4 克隆文庫(kù)分析21
• 4.5 限制性片段多態(tài)性分析21-22
• 第二章 研究思路與技術(shù)路線22-25
• 1 研究思路22-24
• 2 技術(shù)路線24-25
• 第三章 稻田土壤甲烷氧化的動(dòng)力學(xué)過程25-30
• 1 前言25
• 2 材料與方法25-26
• 2.1 樣品的采集和保藏25-26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)26
• 2.3 統(tǒng)計(jì)分析26
• 3 結(jié)果與分析26-28
• 4 討論28-29
• 5 小結(jié)29-30
• 第四章 大氣CO_2濃度升高下稻田土壤甲烷氧化過程的響應(yīng)微生物30-52
• 1 前言30-32
• 2 材料與方法32-39
• 2.1 中國(guó)FACE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概況32
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及采樣情況32
• 2.3 甲烷氧化微生物的標(biāo)記32-33
• 2.4 土壤微生物總DNA提取33-34
• 2.5 PCR擴(kuò)增34
• 2.6 超高速密度梯度離心34-36
• 2.7 克隆及測(cè)序36-37
• 2.8 限制性酶切長(zhǎng)度多態(tài)性分析(RFLP)37-38
• 2.9 實(shí)時(shí)熒光定量PCR38
• 2.10 454高通量測(cè)序38-39
• 3 結(jié)果與分析39-48
• 3.1 甲烷氧化微生物的標(biāo)記39-41
• 3.2 大氣CO_2濃度升高下稻田甲烷氧化過程的響應(yīng)微生物41-48
• 4 討論48-51
• 5 小結(jié)51-52
• 第五章 大氣CO_2濃度升高對(duì)稻田土壤甲烷氧化細(xì)菌豐度的影響52-64
• 1 前言52-53
• 2 材料與方法53-56
• 2.1 FACE試驗(yàn)站概況53
• 2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及采樣情況53-54
• 2.3 土壤微生物總DNA提取54
• 2.4 PCR擴(kuò)增54-56
• 2.5 克隆及測(cè)序56
• 2.6 實(shí)時(shí)熒光定量PCR56
• 2.7 統(tǒng)計(jì)分析56
• 3 結(jié)果與分析56-61
• 3.1 甲烷氧化細(xì)菌特異性實(shí)時(shí)熒光定量PCR引物的選擇56-58
• 3.2 大氣CO_2濃度升高對(duì)稻田根際土壤甲烷氧化細(xì)菌數(shù)量的影響58-60
• 3.3 大氣CO_2濃度升高對(duì)稻田根際土壤甲烷氧化細(xì)菌主要類群的影響60-61
• 4 討論61-63
• 5 小結(jié)63-64
• 第六章 結(jié)論與展望64-66
• 1 主要結(jié)論64
• 2 創(chuàng)新之處64
• 3 研究展望64-66
• 參考文獻(xiàn)66-73
• 附錄73-74
• 致謝74

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生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤氮素流失及溫室氣體排放特性的影響    劉玉學(xué)

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湖南部分工礦區(qū)水稻田As污染現(xiàn)狀及其化學(xué)萃取修復(fù)研究    曾敏

控制灌溉稻田甲烷排放規(guī)律及其影響機(jī)理研究    李道西

耕作和長(zhǎng)期施肥對(duì)稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及活性的影響    靳振江

洞庭湖區(qū)典型稻田土壤養(yǎng)分流失規(guī)律及流域模擬研究    紀(jì)雄輝

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