氮素和氧氣對(duì)水稻土中甲烷氧化的調(diào)控機(jī)理

【摘要】：稻田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體甲烷的重要排放源之一,然而生長(zhǎng)在稻田好氧區(qū)域的甲烷氧化菌可以減少稻田因厭氧產(chǎn)生的甲烷向大氣的排放。稻田中甲烷氧化菌的生長(zhǎng)和活性受到許多環(huán)境因子如氮素和氧氣的調(diào)控。氮肥施用是重要的農(nóng)業(yè)管理措施,主要用來(lái)提高水稻產(chǎn)量。本論文采用杭州的水稻土為材料,通過(guò)一系列生物地球化學(xué)和微生物分子生態(tài)學(xué)的研究方法,系統(tǒng)地研究了氮肥和氧氣對(duì)水稻土中甲烷氧化和相關(guān)微生物群落的影響以及可能的分子機(jī)制。 對(duì)水稻土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室好氧培養(yǎng),通過(guò)添加一系列濃度的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮來(lái)分析不同形態(tài)氮素對(duì)甲烷氧化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均能促進(jìn)水稻土中的甲烷氧化,氮素對(duì)甲烷氧化的促進(jìn)作用隨氮素濃度的增加而增強(qiáng),且同一水平的硝態(tài)氮比銨態(tài)氮有更強(qiáng)的促進(jìn)作用。通過(guò)運(yùn)用T-RFLP、定量和克隆測(cè)序的方法對(duì)土壤中總體細(xì)菌和功能性種群的群落結(jié)構(gòu)及豐度進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),甲烷氧化菌群落由I型和Ⅱ型甲烷氧化菌組成,但I(xiàn)型甲烷氧化菌占主導(dǎo)。銨態(tài)氮肥僅促進(jìn)I型甲烷氧化菌的生長(zhǎng),但抑制了Ⅱ型甲烷氧化菌,而硝態(tài)氮肥則同時(shí)促進(jìn)了I型和II型甲烷氧化菌的生長(zhǎng)。另外,硝態(tài)氮顯著促進(jìn)了nirS型反硝化細(xì)菌以及可執(zhí)行反硝化作用的嗜甲基菌科iMethylophilaceae)的生長(zhǎng)。因此,硝態(tài)氮可能是水稻土甲烷氧化菌的更佳氮源。進(jìn)而,結(jié)合穩(wěn)定同位素標(biāo)記(SIP)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)分析了甲烷氧化菌各基因在氮素受限條件下的表達(dá)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,氮素受限顯著促進(jìn)了氮素同化過(guò)程相關(guān)基因的表達(dá),暗示了甲烷氧化菌對(duì)氮同化有更多的需求用來(lái)解決氮不足的問(wèn)題。但是,氮素受限顯著抑制了產(chǎn)能過(guò)程(甲醛異化過(guò)程和電子傳遞鏈)和合成代謝過(guò)程(甲醛同化、氨基酸的合成代謝、蛋白代謝以及轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程等)的相關(guān)基因的表達(dá)。 通過(guò)設(shè)置不同水平的初始氧氣濃度來(lái)分析氧氣對(duì)水稻土甲烷氧化的影響。氮素受限條件下,5%氧氣濃度有利于甲烷的氧化,但是氮素添加后,其對(duì)甲烷氧化的促進(jìn)作用隨氧氣濃度的增加而增強(qiáng),且在所有氧氣水平,硝態(tài)氮對(duì)甲烷氧化的促進(jìn)作用都高于銨態(tài)氮。通過(guò)穩(wěn)定同位素標(biāo)記(SIP)結(jié)合T-RFLP和454焦磷酸測(cè)序的方法對(duì)土壤中同化13C的細(xì)菌和甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在所有氧氣水平,甲基八疊球菌屬(Methylosarcina)代表的I型甲烷氧化菌在氮素添加后能快速成為優(yōu)勢(shì)菌群。各個(gè)氧氣水平下,硝態(tài)氮還能促進(jìn)甲烷同化進(jìn)入甲基細(xì)菌屬(Methylobacter)以及少部分可能執(zhí)行反硝化作用的非甲烷氧化菌中。另外,甲基單胞菌屬(Methylomonas)和甲基微菌屬(Methylomicrobium)可能對(duì)較高濃度的銨態(tài)氮有較強(qiáng)忍耐力,主要在0.5%氧氣水平發(fā)揮甲烷氧化活性,因此甲烷氧化菌仍能適應(yīng)氧氣極低的環(huán)境。進(jìn)而,結(jié)合SIP和宏轉(zhuǎn)錄組的方法分析了甲烷氧化菌各基因在氧氣受限條件下的表達(dá)響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,較低的氧氣濃度顯著抑制了氮素同化過(guò)程和甲醛氧化的四氫甲基蝶呤依賴型異化途徑(H4MPT)相關(guān)基因的表達(dá),但與電子傳遞鏈相關(guān)的一些酶以及發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程相關(guān)酶的編碼基因的表達(dá)有上調(diào)的趨勢(shì)。 綜上所述,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的方法,本論文的研究結(jié)果系統(tǒng)全面的研究了氮素和氧氣因子對(duì)水稻土中甲烷氧化及相關(guān)的微生物群落的影響,并且解釋了這些環(huán)境因子調(diào)控水稻土甲烷氧化的微生物學(xué)機(jī)理,為稻田甲烷減排提供了基礎(chǔ)的科學(xué)依據(jù)和微生物學(xué)理論基礎(chǔ)。 【關(guān)鍵詞】：水稻土 氮肥 銨態(tài)氮 硝態(tài)氮 氧氣 甲烷氧化細(xì)菌 穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù)(SIP) 454焦磷酸測(cè)序 宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：S154.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-24
• 1.1 研究意義10
• 1.2 甲烷氧化及其微生物學(xué)10-14
• 1.3 氮素對(duì)甲烷氧化的影響14-18
• 1.4 氧氣對(duì)甲烷氧化的影響18-20
• 1.5 微生物生態(tài)學(xué)方法20-22
• 1.6 研究目的、內(nèi)容和技術(shù)路線22-24
• 第二章 不同形態(tài)氮素對(duì)甲烷氧化及相關(guān)微生物群落的影響24-46
• 2.1 引言24
• 2.2 材料和方法24-28
• 2.3 結(jié)果28-43
• 2.4 討論43-44
• 2.5 小結(jié)44-46
• 第三章 氮素調(diào)控下的甲烷氧化及相關(guān)微生物對(duì)氧氣的響應(yīng)46-71
• 3.1 引言46
• 3.2 材料和方法46-51
• 3.3 結(jié)果51-67
• 3.4 討論67-70
• 3.5 小結(jié)70-71
• 第四章 氮素和氧氣調(diào)控甲烷氧化菌的宏轉(zhuǎn)錄組分析71-109
• 4.1 引言71
• 4.2 材料和方法71-75
• 4.3 結(jié)果75-102
• 4.4 討論102-108
• 4.5 小結(jié)108-109
• 第五章 全文總結(jié)和展望109-111
• 5.1 全文總結(jié)109
• 5.2 創(chuàng)新點(diǎn)109-110
• 5.3 存在的問(wèn)題及展望110-111
• 參考文獻(xiàn)111-120
• 致謝120-121
• 個(gè)人簡(jiǎn)介121

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來(lái)了解更多相關(guān)內(nèi)容

微生物區(qū)系的功能基因組研究方法學(xué)    郭茹珍;謝春婭;

微生物介導(dǎo)的土壤甲烷循環(huán)及全球變化研究    馮虎元,程國(guó)棟,安黎哲

以甲醇作為外碳源的生物反硝化    王淑瑩;殷芳芳;侯紅勛;許春生;彭永臻;王偉;

Modeling Methane Emissions from Paddy Rice Fields under Elevated Atmospheric Carbon Dioxide Conditions    謝寶華;周再興;鄭循華;張穩(wěn);朱建國(guó);

南方某污水處理廠改造方案研究與實(shí)施    陳廣;畢艷峰;

反硝化菌株DA-1的脫氮研究    張磊;胡南;繆鑫昕;譚曙明;訾小利;

Control for Modified University of Cape Town Process Using Oxidation-Reduction Potential in the Second Anoxic Zone    王曉玲;林英姿;李娜;張芳;謝添;董利鵬;

中國(guó)土壤微生物學(xué)研究10年回顧    宋長(zhǎng)青;吳金水;陸雅海;沈其榮;賀紀(jì)正;黃巧云;賈仲君;冷疏影;朱永官;

青藏高原多年凍土區(qū)沼澤草甸土壤CH_4氧化速率研究    趙擁華;趙林;岳廣陽(yáng);劉廣岳;杜二計(jì);

Effect of Cold Plasma Treatment on Seed Germination and Growth of Wheat    蔣佳峰;何昕;李玲;李建剛;邵漢良;徐啟來(lái);葉仁宏;董元華;

基于模型和GIS技術(shù)估算1955-2005年中國(guó)稻田甲烷排放    王平

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)隨水稻品種和生育期的變化及其農(nóng)田溫室氣體釋放意義    Qaiser Hussain

川中丘陵區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要溫室氣體排放研究    江長(zhǎng)勝

利用微生物技術(shù)治理煤礦瓦斯的研究    余海霞

沼澤濕地及其不同利用方式下甲烷排放機(jī)理研究    丁維新

水稻植株和土壤對(duì)CH_4排放的影響及定量模型研究    傅志強(qiáng)

長(zhǎng)期不同施肥條件下南方典型性水稻土有機(jī)碳礦化與CO_2、CH_4產(chǎn)生研究    鄭聚鋒

管理措施對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸、N_2O和CH_4排放的影響    陳書(shū)濤

淡水環(huán)境中新型酯酶和甲烷氧化菌的篩選與鑒定    武超

厭氧好氧除磷厭氧氨氧化脫氮城市污水再生全流程研究    王俊安

轉(zhuǎn)錄組研究新技術(shù):RNA-Seq及其應(yīng)用    祁云霞;劉永斌;榮威恒;

新一代測(cè)序技術(shù)在植物轉(zhuǎn)錄組研究中的應(yīng)用    梁燁;陳雙燕;劉公社;

A MicroRNA Catalog of Swine Umbilical Vein Endothelial Cells Identified by Deep Sequencing    

豬脂肪沉積關(guān)鍵基因篩選及TCTP基因功能研究    李新建

稻田甲烷氧化與銨氧化關(guān)系研究進(jìn)展    賈仲君,蔡祖聰

填埋覆土甲烷氧化微生物及甲烷氧化作用機(jī)理研究進(jìn)展    王云龍;郝永俊;吳偉祥;陳英旭;

稻田甲烷氧化研究方法進(jìn)展    馬靜;徐華;蔡祖聰;

銅對(duì)甲烷氧化菌素生產(chǎn)的影響及甲烷氧化菌素的純化    閆超澤;張帥;辛欣;藏丹;

甲烷氧化菌及其在環(huán)境治理中的應(yīng)用    魏素珍;

不同栽培措施對(duì)水稻田甲烷釋放甲烷產(chǎn)生菌和甲烷氧化菌的影響    閔航，陳美慈，錢(qián)澤澍

好氧甲烷氧化菌生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展    贠娟莉;王艷芬;張洪勛;

微生物甲烷氧化反硝化耦合反應(yīng)研究進(jìn)展    朱靜;袁夢(mèng)冬;劉晶靜;黃孝肖;吳偉祥;

甲烷氧化過(guò)程中銅的作用研究進(jìn)展    蘇瑤;孔嬌艷;張萱;夏芳芳;何若;

甲醇對(duì)土壤甲烷氧化的影響及其微生物學(xué)機(jī)理    張光亞,方柏山,閔航,陳美慈

甲烷氧化菌甲烷氧化酶代謝甲烷活性影響因素的研究    陳亮;趙春貴;

甲烷氧化混合菌群結(jié)構(gòu)和功能解析    邢新會(huì);羅明芳;吳昊;王磊;

鹵氧化鑭應(yīng)用于甲烷氧化偶聯(lián):納米與常規(guī)尺度比較研究    侯玉慧;常剛;翁維正;夏文生;萬(wàn)惠霖;

甲烷氧化細(xì)菌的冷凍蝕刻電鏡觀察    鄭中華;

甲烷氧化菌群共代謝降解TCE研究    邢志林;高艷輝;趙天濤;

高密度培養(yǎng)甲烷氧化菌的研究    吳昊;邢新會(huì);緱仲軒;

基于噴墨打印對(duì)甲烷氧化偶聯(lián)催化劑的篩選    王申亮;范杰;

甲烷氧化偶聯(lián)金屬基整體式催化劑的制備及性能研究    孫思;季生福;王開(kāi);丁大為;李成岳;

雙層床催化劑上甲烷氧化偶聯(lián)反應(yīng)工藝研究    潘登;季生福;王開(kāi);唐晶晶;

添加不同營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)水稻土甲烷氧化菌氧化CH_4能力的影響    鄭勇;劉新展;張麗梅;賀紀(jì)正;

我國(guó)煤礦乏風(fēng)甲烷氧化技術(shù)達(dá)世界水平    王羉聲

加科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新甲烷氧化菌    杜華斌

氮素和氧氣對(duì)水稻土中甲烷氧化的調(diào)控機(jī)理    胡盎

淡水環(huán)境中新型酯酶和甲烷氧化菌的篩選與鑒定    武超

甲烷氧化菌的微生態(tài)解析及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究    韓冰

甲烷氧化混合菌群的富集培養(yǎng)及其治理瓦斯工藝研究    江皓

利用甲烷氧化混合菌生物合成聚β-羥基丁酸酯    董靜

計(jì)算機(jī)輔助催化劑配方優(yōu)選及在多組分甲烷氧化偶聯(lián)催化劑設(shè)計(jì)中應(yīng)用    黃凱

甲烷氧化菌的分離及氧化活性的影響因子研究    周葉鋒

甲烷氧化菌素的生物合成及抗氧化活性研究    周琦瓊

甲烷氧化菌甲烷氧化活性的影響因素和甲醇含量測(cè)定方法的研究    陳亮

甲烷氧化菌素檢測(cè)、生物合成及結(jié)構(gòu)表征    閆超澤

長(zhǎng)期不同施肥對(duì)中國(guó)東北黑土甲烷氧化菌群落特征與功能的影響    楊芊葆

隔離降雨對(duì)米櫧天然林土壤甲烷吸收及甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)的影響    黃永梅

中亞熱帶土地利用變化對(duì)山地土壤甲烷氧化的影響研究    鐘小劍

甲烷氧化菌素的生物合成及模擬過(guò)氧化物酶研究    姜加良

甲烷氧化菌分離鑒定及其對(duì)煤樣中甲烷降解能力的研究    魏聰

有機(jī)覆蓋層對(duì)垃圾填埋場(chǎng)甲烷氧化效果的研究及其填埋場(chǎng)適宜草種的篩選    楊文靜