氮素影響土壤甲烷氧化及其微生物學機理

【摘要】：甲烷氧化細菌在全球碳循環(huán)中起著至關重要的作用。但是,甲烷氧化細菌的生長與活性受到許多環(huán)境因素的影響。氮素是影響土壤甲烷氧化及甲烷氧化細菌群落結(jié)構(gòu)、活性與數(shù)量的重要因子,是近幾十年國內(nèi)外的研究熱點。但是其影響機制卻一直未得到明確的闡述。本論文通過一系列的研究方案,借助宏轉(zhuǎn)錄組學等研究方法,系統(tǒng)的探索了氮素對土壤甲烷氧化及甲烷氧化細菌的影響及其內(nèi)在機制。主要獲得以下研究結(jié)果。第一,比較了銨態(tài)氮素對不同類型土壤的甲烷氧化及甲烷氧化細菌群落組成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),銨態(tài)氮的添加對水稻土和沼澤土甲烷氧化起促進作用,但抑制旱地土壤的甲烷氧化。通過對比分析甲烷氧化細菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量,揭示出甲烷氧化細菌群落結(jié)構(gòu)的改變是造成土壤甲烷氧化速率變化的重要原因。第二,比較了不同形態(tài)氮素(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的連續(xù)添加對杭州水稻土甲烷氧化過程相關微生物的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在以甲烷碳為唯一初始碳源的富集培養(yǎng)中,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別導致了不同的甲烷氧化過程的相關微生物組成。銨態(tài)氮最終構(gòu)建了一個Methylocystis屬(80%)為絕對優(yōu)勢種群的微生物群體；硝態(tài)氮最終構(gòu)建了以Methylophilus屬(約40%)和Methylocystis屬(約45%)為主的群體。不同形態(tài)的氮素能夠“定向選擇”不同的細菌組成穩(wěn)定的微生物群體。第三,通過對銨態(tài)氮刺激得到的甲烷氧化富集物進行一系列銨態(tài)氮濃度梯度試驗,揭示出甲烷氧化過程與固氮作用的關系及銨態(tài)氮對這兩個過程的影響。實驗結(jié)果顯示：當銨態(tài)氮濃度超過10 mM時富集物的生長受抑制；當銨態(tài)氮濃度過低時,富集物通過啟動固氮作用來緩解氮素的不足,但是甲烷氧化速率下降；添加銨態(tài)氮能夠使得固氮作用立即停止,并且甲烷氧化速率上升。第四,通過宏轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮刺激得到的甲烷氧化富集物中Methylocystis屬甲烷氧化細菌擁有兩套pMMO編碼基因(pmoCABl和pmoCAB2), pmoCAB1基因在起主要作用；Methylocystis屬甲烷氧化細菌執(zhí)行絲氨酸代謝、TCA循環(huán)和丙酮酸代謝等過程不受銨態(tài)氮的影響；當?shù)狈r,Methylocystis屬甲烷氧化細菌細胞通過一系列的調(diào)控機制(ntr調(diào)控系統(tǒng))啟動固氮作用。此時,甲醛氧化與甲酸氧化過程所產(chǎn)生的還原力需要分流到固氮過程,造成甲烷羥基化過程可用電子的降低,進而降低了甲烷氧化能力；當額外添加銨態(tài)氮后,細胞受到銨態(tài)氮刺激而關閉固氮過程,從而解除了固氮作用與甲烷羥基化過程的電子競爭。甲烷羥基化過程有了充足的電子供應,進而提升了甲烷氧化能力。第五,對硝態(tài)氮刺激得到的甲烷氧化富集物進行一系列的不同處理實驗,結(jié)果表明氮素的添加促進富集物反硝化作用的同時刺激富集物甲烷氧化過程,即揭示出氮素的添加使得富集物能夠通過耦合反硝化作用促進甲烷氧化。本論文首次揭示了固氮作用對甲烷氧化過程的影響,闡明了銨態(tài)氮添加緩解固氮作用與甲烷氧化過程的電子競爭機制,從而促進甲烷氧化的機理。同時,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過耦合反硝化作用促進甲烷氧化過程。這些結(jié)果對理解氮肥影響土壤甲烷氧化能力具有重要的貢獻。 【關鍵詞】：甲烷氧化 甲烷氧化細菌 氮 固氮作用 宏轉(zhuǎn)錄組學 反硝化
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S154
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 縮寫詞表7-10
• 第一章 緒論10-26
• 1.1 研究意義10-11
• 1.2 甲烷氧化細菌概況11-15
• 1.3 甲烷氧化細菌與氮循環(huán)15-19
• 1.4 氮素影響甲烷氧化的研究進展19-22
• 1.5 微生物生態(tài)學研究方法22
• 1.6 研究目的、內(nèi)容和技術路線22-26
• 第二章 材料與方法26-44
• 2.1 材料26-27
• 2.2 方法27-44
• 第三章 氮素對甲烷氧化過程相關微生物組成的影響44-58
• 3.1 前言44
• 3.2 材料與方法44-45
• 3.3 結(jié)果45-54
• 3.4 討論54-56
• 3.5 小結(jié)56-58
• 第四章 固氮作用對甲烷氧化過程的影響58-70
• 4.1 前言58
• 4.2 材料與方法58-60
• 4.3 結(jié)果60-67
• 4.4 討論67-69
• 4.5 小結(jié)69-70
• 第五章 宏轉(zhuǎn)錄組揭示銨態(tài)氮促進甲烷氧化機理70-108
• 5.1 前言70
• 5.2 材料與方法70-71
• 5.3 結(jié)果71-99
• 5.4 討論99-107
• 5.5 小結(jié)107-108
• 第六章 耦合反硝化過程促進甲烷氧化108-124
• 6.1 前言108
• 6.2 材料與方法108-110
• 6.3 結(jié)果110-119
• 6.4 討論119-122
• 6.5 小結(jié)122-124
• 第七章 結(jié)論與展望124-126
• 7.1 主要結(jié)論124-125
• 7.2 主要創(chuàng)新點125
• 7.3 展望125-126
• 參考文獻126-136
• 附錄136-150
• 致謝150-152
• 個人簡歷152

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