本文關(guān)鍵詞：氮素和氧氣對水稻土中甲烷氧化的調(diào)控機理，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國農(nóng)業(yè)大學(xué)》 2015年

氮素和氧氣對水稻土中甲烷氧化的調(diào)控機理

胡盎  

【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,主要用來提高水稻產(chǎn)量。本論文采用杭州的水稻土為材料,通過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制。 對水稻土進行實驗室好氧培養(yǎng),通過添加一系列濃度的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮來分析不同形態(tài)氮素對甲烷氧化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均能促進水稻土中的甲烷氧化,氮素對甲烷氧化的促進作用隨氮素濃度的增加而增強,且同一水平的硝態(tài)氮比銨態(tài)氮有更強的促進作用。通過運用T-RFLP、定量和克隆測序的方法對土壤中總體細菌和功能性種群的群落結(jié)構(gòu)及豐度進行分析。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型甲烷氧化菌占主導(dǎo)。銨態(tài)氮肥僅促進I型甲烷氧化菌的生長,但抑制了Ⅱ型甲烷氧化菌,而硝態(tài)氮肥則同時促進了I型和II型甲烷氧化菌的生長。另外,硝態(tài)氮顯著促進了nirS型反硝化細菌以及可執(zhí)行反硝化作用的嗜甲基菌科iMethylophilaceae)的生長。因此,硝態(tài)氮可能是水稻土甲烷氧化菌的更佳氮源。進而,結(jié)合穩(wěn)定同位素標記(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響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,氮素受限顯著促進了氮素同化過程相關(guān)基因的表達,暗示了甲烷氧化菌對氮同化有更多的需求用來解決氮不足的問題。但是,氮素受限顯著抑制了產(chǎn)能過程(甲醛異化過程和電子傳遞鏈)和合成代謝過程(甲醛同化、氨基酸的合成代謝、蛋白代謝以及轉(zhuǎn)錄和翻譯過程等)的相關(guān)基因的表達。 通過設(shè)置不同水平的初始氧氣濃度來分析氧氣對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,其對甲烷氧化的促進作用隨氧氣濃度的增加而增強,且在所有氧氣水平,硝態(tài)氮對甲烷氧化的促進作用都高于銨態(tài)氮。通過穩(wěn)定同位素標記(SIP)結(jié)合T-RFLP和454焦磷酸測序的方法對土壤中同化13C的細菌和甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)進行分析。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)勢菌群。各個氧氣水平下,硝態(tài)氮還能促進甲烷同化進入甲基細菌屬(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)可能對較高濃度的銨態(tài)氮有較強忍耐力,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,但與電子傳遞鏈相關(guān)的一些酶以及發(fā)酵產(chǎn)氫過程相關(guān)酶的編碼基因的表達有上調(diào)的趨勢。 綜上所述,通過實驗室培養(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】：
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S154.1
【目錄】：

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