青藏高原亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化微生物研究

发布时间：2020-09-15 17:12

　　 亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐(NO_2~-)为电子受体将甲烷(CH_4)氧化为二氧化碳(CO_2)的反应过程,由Candidatus Methylomirabilis oxyfera介导完成,是耦联氮循环和碳循环的关键环节。青藏高原是全球范围内海拔最高、面积最大的高原,属气候变化和生态脆弱敏感区。目前,该地区草地土壤物质循环是否存在N-DAMO反应还未见报道。因此,研究青藏高原土壤中N-DAMO菌是否存在及其丰度、菌群结构和活性与环境因子的关系,对于拓展N-DAMO菌在全球的生物地理分布信息、多样性及其与碳氮循环关系,阐释温室气体甲烷氧化的微生物机制以及青藏高原生态保护具有重要意义。本研究以青藏高原三种植被类型(沼泽草甸、高寒草甸和高山草原)土壤为研究对象,通过定量PCR、Hi-Seq高通量测序和稳定性同位素活性示踪等方法对土壤N-DAMO菌群进行分析,研究N-DAMO菌的丰度、多样性及反应活性,结合相关土壤理化性质,分析该生境中可能影响N-DAMO菌分布和菌群结构的环境因子,得到以下研究结果:1、首次发现青藏高原草地土壤中广泛分布着N-DAMO菌。青藏高原土壤中N-DAMO菌16S rRNA基因的丰度在1.65±0.38×10~5~3.20±0.49×10~6 copies·g~(-1)dry weight之间,N-DAMO菌的丰度与NO_3~-浓度呈极显著负相关关系(r=-0.488,P0.01),与NH_4~+、NO_2~-、TIN含量呈显著负相关关系(r=-0.351,P0.05;r=-0.364,P0.05和r=-0.398,P0.05)。2、测序结果表明N-DAMO菌16S rRNA基因序列与已知的M.oxyfera菌亲缘关系较近,相似度为95%~100%,M.oxyfera菌所属的NC10门的序列数占到总序列数的97.37%,说明测序所获得的特异性序列的丰度较高。但青藏高原生态系统中仅存在少数几个与M.oxyfera菌亲缘关系较近的细菌类别,种群多样性水平不高。相关性分析表明,N-DAMO菌群落结构组成与土壤NO_3~-含量极显著正相关(r=0.930,P0.01),与土壤TIN含量显著正相关(r=0.910,P0.05)。3、稳定性同位素活性示踪实验于沼泽草甸和高寒草甸土壤中分别检测到~(13)CO_2气体含量和土壤~(13)C丰度的增加,表明N-DAMO反应是碳氮循环的重要环节,是青藏高原潜在的甲烷汇。Pearson相关性分析表明,青藏高原土壤样品~(13)CO_2原子百分比(%)与土壤OC和NO_3~-含量呈显著负相关(r=-0.854,P0.05;r=-0.998,P0.05),土壤~(13)C丰度(%)与土壤OC含量呈显著负相关(r=-0.849,P0.05)。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X144;X172
【部分图文】：

M.oxyfera能量代谢途径示意图(Wuetal.,2012a)

固氮作用指的是固氮微生物将氮气(N2)转化为氨的过程，氨化作用指的是将含氮化合物转化为 NH3，从而为后续的硝化作用提供必要的前提条件。一般认为硝化作用分为两个过程来进行，第一个过程指的是氨态氮(NH4+)氧化为亚硝态氮(NO2-)的氨氧化过程(Ammonia oxidation)，第二个过程指的是亚硝态氮(NO2-)氧化为硝态氮(NO3-)的亚硝酸盐氧化过程(Nitrite oxidation)。反硝化作用指的是将NO3 还原为 N2O，其中产生的 N2和 NO 排放到大气中。近几年来，研究者检测到许多新的土壤氮循环微生物代谢过程，从而使全球氮循环理论体系得以完善和修正。现阶段，新发现的两个氮循环相关微生物反应过程：厌氧氨氧化反应(anaerobic ammonium oxidizing, Anammox)(Mulder et al.,1995)和亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化反应(N-DAMO)均是以 NO2 为电子受体，分别指的是将氨氧化为 N2和将 CH4氧化为 CO2的微生物反应过程。这两个微生物反应过程的发现丰富了全球碳氮循环的相关内容，改变了学术界对碳氮循环相关微生物的一贯认识，为土壤微生物碳氮循环过程增添了全新的途径(沈李东等，2011)(图 1-2)。

兰州大学硕士研究生学位论文 青藏高原亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化微生物研究第二章 研究材料与方法2.1 研究位点及样品采集研究区域为兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站，位于青藏高原东南缘的甘肃省甘南藏族自治州玛曲县境内(101°53′E，33°58′N，海拔3500 m左右)，如图 2-1 所示。该地区气候类型属于低温湿润的高原大陆性气候(Zheng et al.,2011)，根据甘南合作气象站的观测数据显示，该地区的年平均降雨量为 500 mm左右(Zhao and Zhou, 1999)，且降雨多集中于夏季，年平均气温仅为 2.4℃ (Liu etal., 2012)。植被盖度较高达到了 90%以上，土壤类型主要为泥炭土。植物优势种为苔草(Carex thibetica Franch.)、鹅绒委陵菜(Potentilla ansrina L.)、矮嵩草(Kobresia humilis (C. A. Mey. ex Trautv.) Sergiev)等。

【参考文献】

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本文编号：2819239