大气CO_2浓度升高下稻田土壤甲烷氧化的微生物调控机理

【摘要】：甲烷是一种重要温室气体,稻田是大气甲烷的重要源。最高达90%的甲烷在进入大气之前已被稻田土壤中的甲烷氧化细菌所氧化,因此甲烷氧化细菌在减少稻田甲烷排放方面具有重要作用。到本世纪中期大气CO2浓度可能会增长到450-550μl1-1,因此,研究大气CO2浓度升高条件下,稻田土壤甲烷氧化过程的微生物响应与适应机理,是合理制定稻田甲烷减排措施,有效应对全球气候变化的一个重要科学问题。本研究依托中国"FACE科学平台”,借助“稳定性同位素核酸探针”先进技术平台,围绕稻田土壤甲烷过程,利用微生物分子生态学技术手段,通过对比分析高大气CO2浓度与正常大气CO2浓度下稻田土壤甲烷氧化过程的差异,揭示未来大气CO2浓度升高下,稻田甲烷氧化过程的微生物响应机制。 实验室条件下不同初始甲烷浓度的甲烷氧化过程研究结果表明,中国FACE科学平台所处地区的稻田土壤有着较强的甲烷氧化能力,各初始浓度条件下供试土壤的甲烷氧化速率均在30.5h-47h这一阶段达到最大值,且8000μl1-1和18000μl1-1这两个浓度条件下该阶段氧化速率大于其他浓度条件。将“稳定性同位素核酸探针”技术与454高通量测序相结合对活跃甲烷氧化微生物进行示踪分析,结果显示,除Methylothermus, Methylocella和Methylocapsa外,几类典型甲烷氧化细菌均活跃于供试土壤的甲烷氧化过程中,Methylobacter及Methylosarcina这两类甲烷氧化细菌是供试土壤中最活跃的甲烷氧化微生物；大气CO2浓度升高还改变了稻田土壤中甲烷氧化细菌的群落结构,Methylobacter甲烷氧化细菌的丰度受大气CO2浓度升高影响有所增加,而Methylosarcina的相对丰度却有所降低。通过传统克隆文库分析验证,本实验中采用的454测序分析得到的结果是可靠的。 应用实时荧光定量技术对2009年和2010年水稻典型生长期根际土壤中甲烷氧化细菌丰度的观测结果表明,大气CO2浓度升高促进了2009年秧苗期和分蘖期,2010年秧苗期、拔节期和灌浆期甲烷氧化细菌的生长,且高氮条件下甲烷氧化细菌数量受大气CO2浓度升高影响而增加的幅度均显著大于常氮条件；大气CO2浓度升高同时对2010年常氮条件下成熟期甲烷氧化细菌产生了较显著抑制；对甲烷氧化细菌主要类群的分析表明,高氮条件下大气CO2浓度升高提高了稻田根际土壤中Type I类甲烷氧化细菌的丰度。 本研究揭示了大气C02浓度升高条件下,稻田土壤甲烷氧化细菌群落结构和数量的响应情况,为合理制定水稻农业生产过程中的甲烷减排措施,有效应对全球气候变化提供了一定的参考。 【关键词】：大气CO_2浓度升高 稻田土壤 甲烷氧化 甲烷氧化细菌 稳定性同位素核酸探针
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S511
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 文献综述9-22
• 1 稻田甲烷排放9-11
• 1.1 稻田甲烷的产生9-10
• 1.2 稻田甲烷的氧化10-11
• 1.3 稻田甲烷的传输11
• 2 甲烷氧化细菌研究进展11-15
• 2.1 甲烷氧化微生物的分类11-13
• 2.2 甲烷氧化细菌代谢甲烷的生理生化途径13-14
• 2.3 稻田甲烷氧化细菌研究进展14-15
• 3 大气CO_2浓度升高对土壤微生物的影响15-18
• 3.1 大气CO_2浓度升高对土壤微生物的影响机制16-17
• 3.2 大气CO_2浓度升高对土壤微生物数量的影响17-18
• 3.3 大气CO_2浓度升高对土壤微生物群落结构的影响18
• 4 甲烷氧化细菌的分子生态学研究方法18-22
• 4.1 稳定性同位素核酸探针技术19-20
• 4.2 454焦磷酸测序20
• 4.3 实时荧光定量PCR技术20-21
• 4.4 克隆文库分析21
• 4.5 限制性片段多态性分析21-22
• 第二章 研究思路与技术路线22-25
• 1 研究思路22-24
• 2 技术路线24-25
• 第三章 稻田土壤甲烷氧化的动力学过程25-30
• 1 前言25
• 2 材料与方法25-26
• 2.1 样品的采集和保藏25-26
• 2.2 实验设计26
• 2.3 统计分析26
• 3 结果与分析26-28
• 4 讨论28-29
• 5 小结29-30
• 第四章 大气CO_2浓度升高下稻田土壤甲烷氧化过程的响应微生物30-52
• 1 前言30-32
• 2 材料与方法32-39
• 2.1 中国FACE实验平台概况32
• 2.2 实验设计及采样情况32
• 2.3 甲烷氧化微生物的标记32-33
• 2.4 土壤微生物总DNA提取33-34
• 2.5 PCR扩增34
• 2.6 超高速密度梯度离心34-36
• 2.7 克隆及测序36-37
• 2.8 限制性酶切长度多态性分析(RFLP)37-38
• 2.9 实时荧光定量PCR38
• 2.10 454高通量测序38-39
• 3 结果与分析39-48
• 3.1 甲烷氧化微生物的标记39-41
• 3.2 大气CO_2浓度升高下稻田甲烷氧化过程的响应微生物41-48
• 4 讨论48-51
• 5 小结51-52
• 第五章 大气CO_2浓度升高对稻田土壤甲烷氧化细菌丰度的影响52-64
• 1 前言52-53
• 2 材料与方法53-56
• 2.1 FACE试验站概况53
• 2.2 试验设计及采样情况53-54
• 2.3 土壤微生物总DNA提取54
• 2.4 PCR扩增54-56
• 2.5 克隆及测序56
• 2.6 实时荧光定量PCR56
• 2.7 统计分析56
• 3 结果与分析56-61
• 3.1 甲烷氧化细菌特异性实时荧光定量PCR引物的选择56-58
• 3.2 大气CO_2浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌数量的影响58-60
• 3.3 大气CO_2浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌主要类群的影响60-61
• 4 讨论61-63
• 5 小结63-64
• 第六章 结论与展望64-66
• 1 主要结论64
• 2 创新之处64
• 3 研究展望64-66
• 参考文献66-73
• 附录73-74
• 致谢74

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