本文關(guān)鍵詞：氮素影響土壤甲烷氧化及其微生物學(xué)機(jī)理

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【摘要】：甲烷氧化細(xì)菌在全球碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用。但是,甲烷氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)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(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、活性與數(shù)量的重要因子,是近幾十年國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。但是其影響機(jī)制卻一直未得到明確的闡述。本論文通過(guò)一系列的研究方案,借助宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)等研究方法,系統(tǒng)的探索了氮素對(duì)土壤甲烷氧化及甲烷氧化細(xì)菌的影響及其內(nèi)在機(jī)制。主要獲得以下研究結(jié)果。第一,比較了銨態(tài)氮素對(duì)不同類型土壤的甲烷氧化及甲烷氧化細(xì)菌群落組成的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),銨態(tài)氮的添加對(duì)水稻土和沼澤土甲烷氧化起促進(jìn)作用,但抑制旱地土壤的甲烷氧化。通過(guò)對(duì)比分析甲烷氧化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量,揭示出甲烷氧化細(xì)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(duì)杭州水稻土甲烷氧化過(guò)程相關(guān)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(dǎo)致了不同的甲烷氧化過(guò)程的相關(guān)微生物組成。銨態(tài)氮最終構(gòu)建了一個(gè)Methylocystis屬(80%)為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)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(xì)菌組成穩(wěn)定的微生物群體。第三,通過(guò)對(duì)銨態(tài)氮刺激得到的甲烷氧化富集物進(jìn)行一系列銨態(tài)氮濃度梯度試驗(yàn),揭示出甲烷氧化過(guò)程與固氮作用的關(guān)系及銨態(tài)氮對(duì)這兩個(gè)過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)銨態(tài)氮濃度超過(guò)10 mM時(shí)富集物的生長(zhǎng)受抑制；當(dāng)銨態(tài)氮濃度過(guò)低時(shí),富集物通過(guò)啟動(dòng)固氮作用來(lái)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(guò)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(xì)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(xì)菌執(zhí)行絲氨酸代謝、TCA循環(huán)和丙酮酸代謝等過(guò)程不受銨態(tài)氮的影響；當(dāng)?shù)狈r(shí),Methylocystis屬甲烷氧化細(xì)菌細(xì)胞通過(guò)一系列的調(diào)控機(jī)制(ntr調(diào)控系統(tǒng))啟動(dòng)固氮作用。此時(shí),甲醛氧化與甲酸氧化過(guò)程所產(chǎn)生的還原力需要分流到固氮過(guò)程,造成甲烷羥基化過(guò)程可用電子的降低,進(jìn)而降低了甲烷氧化能力；當(dāng)額外添加銨態(tài)氮后,細(xì)胞受到銨態(tài)氮刺激而關(guān)閉固氮過(guò)程,從而解除了固氮作用與甲烷羥基化過(guò)程的電子競(jìng)爭(zhēng)。甲烷羥基化過(guò)程有了充足的電子供應(yīng),進(jìn)而提升了甲烷氧化能力。第五,對(duì)硝態(tài)氮刺激得到的甲烷氧化富集物進(jìn)行一系列的不同處理實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明氮素的添加促進(jìn)富集物反硝化作用的同時(shí)刺激富集物甲烷氧化過(guò)程,即揭示出氮素的添加使得富集物能夠通過(guò)耦合反硝化作用促進(jìn)甲烷氧化。本論文首次揭示了固氮作用對(duì)甲烷氧化過(guò)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(guò)程的電子競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,從而促進(jìn)甲烷氧化的機(jī)理。同時(shí),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(guò)耦合反硝化作用促進(jìn)甲烷氧化過(guò)程。這些結(jié)果對(duì)理解氮肥影響土壤甲烷氧化能力具有重要的貢獻(xiàn)。
【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】：2016
【分類號(hào)】：S154
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本文編號(hào)：1265566