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水稻田的甲烷释放特性及其生物学机理

生态与农村环境学报 1993年第S1期21卷 28-32,42-59页

作者：闵航陈美慈钱泽澍浙江农业大学杭州310029

本文报导采用土柱法和田间原位法研究渍水稻田甲烷释放特性的结果。不同生育期的测定表明,早稻以分蘖盛期时释放量最大,以后逐渐减少,晚稻从分蘖始期起逐渐增加,至分蘖盛期、末期时达到最大,随后在孕穗期急剧减少,至生长后期又有所回升... 详细信息

本文报导采用土柱法和田间原位法研究渍水稻田甲烷释放特性的结果。不同生育期的测定表明,早稻以分蘖盛期时释放量最大,以后逐渐减少,晚稻从分蘖始期起逐渐增加,至分蘖盛期、末期时达到最大,随后在孕穗期急剧减少,至生长后期又有所回升。以原位法测定表明,晚间和上午释放的甲烷量较多,中午几乎无甲烷释放,下午又有少量释放。不同施肥区稻田甲烷释放量明显不同,以施猪粪有机肥区为最高,次为施尿素无机氮区,不施肥区最低。但各施肥区水稻不同生育期的甲烷释放趋势完全一致,以分蘖期释放量最大,稻田释放的甲烷主要是稻植株释放的,可占总释放量的85％以上。行株间土壤释放的量不多。田间水释放极少,就植株而言,甲烷释放部位主要是在与土壤密切结合的未扰动的根基和根系部位,水面下茎秆白色部分和水上绿色部分几乎无释放。根系也主要是靠近根基的上半部分,根尖部位甲烷形成活性明显小得多。且研究表明,产甲烷细菌附存于根表而不进入根内组织。根际土壤中产甲烷细菌、厌氧性纤维素分解细菌和甲烷氧化细菌的数量以及总挥发有机酸含量都明显高于和行间土壤。

关键词：水稻田水稻植株甲烷释放产甲烷细菌甲烷氧化细菌

不同压力及氧环境条件下微生物降解煤层瓦斯实验研究

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煤矿安全 2014年第11期45卷 1-4页

作者：张瑞林任学清河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454003 河南工程学院安全工程系河南郑州451191

为了保障甲烷氧化细菌生物反应降解煤层瓦斯实验的顺利进行，自主研发了高压气体混合装置，研究了在不同压力及有氧、无氧条件下，甲烷氧化细菌降解煤层瓦斯的规律和对煤吸附瓦斯性能的综合影响。通过对实验前后CH。和CO2的变化量进行... 详细信息

为了保障甲烷氧化细菌生物反应降解煤层瓦斯实验的顺利进行，自主研发了高压气体混合装置，研究了在不同压力及有氧、无氧条件下，甲烷氧化细菌降解煤层瓦斯的规律和对煤吸附瓦斯性能的综合影响。通过对实验前后CH。和CO2的变化量进行检测、对比和分析，发现在1-5 MPa压力范围内，压力越大越有利于甲烷氧化细菌对煤层瓦斯的降解；压力相同时，有氧环境下的CH。减少量明显多于无氧环境下的CH4减少量。

关键词：甲烷氧化细菌降解煤层瓦斯高压气体混合装置吸附瓦斯

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氨/甲烷氧化微生物全球海洋分布格局研究

氨/甲烷氧化微生物全球海洋分布格局研究

作者：鲁水龙复旦大学

学位级别：硕士

氨氧化和甲烷氧化是碳氮循环中的重要步骤。直到现在,关于功能微生物的全球分布研究的来源序列都是公共数据库中基于PCR反应得到的,而PCR的引物偏向性会遗漏许多重要的微生物特别是未培养微生物。随着高通量测序技术的发展,许多环境样... 详细信息

氨氧化和甲烷氧化是碳氮循环中的重要步骤。直到现在,关于功能微生物的全球分布研究的来源序列都是公共数据库中基于PCR反应得到的,而PCR的引物偏向性会遗漏许多重要的微生物特别是未培养微生物。随着高通量测序技术的发展,许多环境样品进行了元基因组和元转录组测序,因此我们的研究将挖掘CAMERA数据库中的元基因组和元转录组序列数据,分析氨/甲烷氧化微生物在全球海洋的分布格局。56553条amoA或pmoA参考序列在90%的相似度通过Usearch聚类后获得373条代表序列并在CAMERA数据库中进行tBLASTn搜索。经过筛选、去重和去掉低质量序列后从元基因组得到885条序列,从元转录组得到14972条序列,这些序列来自全球105个不同样品(其中元基因组85个,元转录组20个)。氨氧化古生菌在96%的样品中都有检测到,说明其广泛分布于海洋中。这些样品包括海岸,公开海域表层和深层海水,热泉喷口以及共生物。在这些海洋样品中发现了氨氧化古生菌5个类群中的4个,其中Nitrosopumilis cluster占主导优势。在18个Nitrosopumilus cluster二级类群中,相对丰度最高的是Nitrosopumilus subcluster 13。氨氧化细菌分布于海岸和公开海域,相对丰度和活性显著低于氨氧化古生菌,但同时在10个高纬度极地海洋样品检测到,说明其对冷环境有一定的适应性。在公开海域深层海水和热泉喷口检测到甲烷氧化细菌,因为海底和热泉喷口产生甲烷。元基因组和元转录组的结果表明氨氧化古生菌在海岸的活性远远超过公开海域深层海水中的活性。NMDS和Mantel test分析结果显示深度,纬度,氧气浓度,氨浓度和温度影响氨氧化古生菌在不同海洋环境中的分布。氨氧化细菌(β-proteobacteria)反向引物amoA-2R序列上7号位置有53%C的错配和37%A的错配,13号位置有94%T的错配,所以引物的这两个位置需要改进,但未来需要更多的实验进行验证。

关键词：元基因组元转录组氨氧化古生菌氨氧化细菌甲烷氧化细菌

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甲烷氧化菌降解煤矿风流瓦斯实验研究

甲烷氧化菌降解煤矿风流瓦斯实验研究

作者：任学清河南理工大学

学位级别：硕士

瓦斯灾害是我国煤矿安全生产的主要灾害之一。随着煤矿开采强度和采深的不断加强,造成开采矿井的地应力逐渐变大、煤层透气性下降,导致目前采取的抽采、通风等治理瓦斯的物理方法无法满足煤矿安全生产的需求。同时,瓦斯是一种温室气体,... 详细信息

瓦斯灾害是我国煤矿安全生产的主要灾害之一。随着煤矿开采强度和采深的不断加强,造成开采矿井的地应力逐渐变大、煤层透气性下降,导致目前采取的抽采、通风等治理瓦斯的物理方法无法满足煤矿安全生产的需求。同时,瓦斯是一种温室气体,煤矿抽采的低浓度瓦斯直接排放到大气中会造成生态环境的破坏。甲烷氧化菌是一种以甲烷为唯一碳源和能源生长的微生物。利用甲烷氧化细菌降解煤矿瓦斯不但对现有的瓦斯治理的方法有重要的辅助作用,而且对矿井瓦斯治理和减少低浓度瓦斯的排放有很大的应用潜力。不仅能从根源上防治、消除瓦斯灾害还可以减少对环境的破坏。本文在对甲烷氧化细菌和甲烷单加氧酶特征及其氧化甲烷的机理的基础上,通过筛选、分离、富集和培养甲烷氧化菌,并优化其生存、生长条件,验证了利用甲烷氧化菌降解甲烷的可行性,明确了基于温度、氧气浓度、培养液pH值等环境下的甲烷氧化细菌最佳生长条件;模拟验证了甲烷氧化菌降解煤层瓦斯的可行性。自主设计研制了实验装置,在实验室对甲烷氧化细菌降解煤矿风流中甲烷进行了模拟实验,揭示了不同风流甲烷浓度、不同风速、不同菌液浓度对降解甲烷性能的影响规律。

关键词：煤矿瓦斯甲烷氧化细菌甲烷单加氧酶降解瓦斯治理

稻田甲烷排放的微生物群落结构组成及活性初步研究

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稻田甲烷排放的微生物群落结构组成及活性初步研究

作者：许静安徽农业大学

学位级别：硕士

稻田是大气甲烷排放的重要源。我国稻谷产量世界第一、水稻种植面积世界第二，稻田甲烷排放不同地区水稻土的甲烷排放有一定的差异，微生物则是稻田甲烷产生和氧化的生物源，研究我国稻田甲烷排放的微生物机制具有重要意义。本论文针对... 详细信息

稻田是大气甲烷排放的重要源。我国稻谷产量世界第一、水稻种植面积世界第二，稻田甲烷排放不同地区水稻土的甲烷排放有一定的差异，微生物则是稻田甲烷产生和氧化的生物源，研究我国稻田甲烷排放的微生物机制具有重要意义。本论文针对我国典型稻田土壤，围绕稻田甲烷产生和甲烷氧化过程，采用微生物分子生态学方法，如聚合酶链式反应(PCR)、实时荧光定量(qPCR)、变性梯度凝胶电泳分子指纹图谱(DGGE)、克隆文库和稳定性同位素核酸探针等技术，研究了长期氮肥施用以及大气CO浓度升高下稻田土壤产甲烷古菌的丰度和群落结构变化规律，进一步研究了三种典型稻田土壤甲烷氧化动力学规律及其微生物作用者，主要研究结果如下： 1、长期施用(>22年)无机有机混合肥(NPK/OM)导致产甲烷古菌数量增加，并可能促进甲烷八叠球菌的生长，但产甲烷古菌整体微生物群落组成变化较小。长期单独施用无机氮肥对产甲烷古菌群落结构影响较小。 2、大气CO浓度升高(FACE)促进水稻分蘖期产甲烷古菌数量的增加，在2009年分蘖期非根际土壤中达到了显著性水平，而对扬花期、拔节期和灌浆期的产甲烷古菌丰度有一定的抑制作用。与根际土壤相比，非根际土壤受到的抑制作用较小。此外，与施用低氮肥相比较，施用高氮肥在一定程度降低了土壤产甲烷古菌的数量。 3、低甲烷初始浓度(700ug·L)条件下，广东雷州稻田土壤的甲烷氧化速率最小，湖南古市稻田土壤和湖南桃源稻田土壤的甲烷氧化速率较为一致;高浓度甲烷(7000ug·L)条件下，湖南古市稻田土壤的甲烷氧化速率最大，广东雷州和湖南桃源的稻田土壤甲烷氧化速率较为一致。进一步采用稳定性同位素13C示踪稻田土壤中甲烷氧化细菌的核酸DNA结果表明三种稻田土壤中活性甲烷氧化细菌种类不同，湖南古市稻田土壤中类型Ⅰ甲烷氧化细菌占所有甲烷氧化细菌的77.8%(克隆文库数据);湖南桃源稻田土壤中类型Ⅱ型甲烷氧化细菌占所有克隆序列的80%;类型I甲烷氧化细菌主导了广东雷州稻田土壤甲烷氧化。结果表明类型I和类型II甲烷氧化细菌的活性具有一定差异，是稻田土壤甲烷氧化能力空间变异的重要因子。总之，尽管水稻土中产甲烷古菌微生物群落组成较为稳定，但有机无机氮肥混合施用、大气CO浓度升高可能增加稻田土壤产甲烷古菌的数量。典型稻田土壤的甲烷氧化动力学过程及其甲烷氧化微生物作用者具有一定的地理分布规律。

关键词：施肥 FACE 产甲烷古菌甲烷氧化细菌稳定性同位素核酸探针

模拟气候条件下田间甲烷释放及相关微生物研究

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模拟气候条件下田间甲烷释放及相关微生物研究

作者：刘亚朋浙江大学

学位级别：硕士

全球气候变化已成一个热点问题,全球暖化后的各种自然现象吸引着众多研究者对其进行探索。自然条件下地球自转和太阳公转导致大气温度的时刻变化和季节性变化,呈现出日和年的周期性变化,在有些区域,土壤湿度则受到降雨的影响而呈现出一... 详细信息

全球气候变化已成一个热点问题,全球暖化后的各种自然现象吸引着众多研究者对其进行探索。自然条件下地球自转和太阳公转导致大气温度的时刻变化和季节性变化,呈现出日和年的周期性变化,在有些区域,土壤湿度则受到降雨的影响而呈现出一定的随机性,这些都加剧了全球气候变化后对各种自然现象预测的难度。本试验采用人工气候室的思路,建造32个人工气候变化装置(1 m×2m×1 m),模拟自然条件下的全球气候变化状况。使用人工气候变化装置在田间制造升温干旱条件,造成日平均大气温度3-5℃的升高,土壤湿度以土壤含水量占土壤田间持水量百分比计10%左右的降低,并对其中一半施用400kgNha-1尿素,以此来模拟不远的将来全球气候变化,揭示这种情况下土壤中甲烷(CH)释放以及与之相关的微生物的变化状况这一自然现象。这个259天的试验表明,全球气候变化后,由于温度的升高以及降雨的减少,影响到400kgN ha-1尿素在土壤中的转化效率,土壤高含量矿质态氮素持续时间大幅度延长。尿素的施用为土壤中微生物提供更多的底物,刺激了土壤呼吸,增加了土壤CO2的释放速率,但是并没有显著影响土壤中CH的释放速率。人工气候变化装置造成的升温干旱条件在一定程度上增强了尿素对土壤C02的释放速率的促进效应,在试验开始的短暂时间内有效地降低了土壤CH释放速率。本试验中400 kg N ha-1尿素和人工气候变化装置两个条件并未显著影响土壤中产甲烷菌和甲烷氧化细菌的基因拷贝数量,每克干土中产甲烷菌的mcrA基因拷贝数为8.O×105-8.15×105,甲烷氧化细菌的pmoA基因拷贝数为2.5×104-7.5×104。

关键词：气候变化土壤甲烷释放产甲烷菌甲烷氧化细菌

秸秆腐解菌剂和微生物产电过程对稻田土壤温室气体排放的影响

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秸秆腐解菌剂和微生物产电过程对稻田土壤温室气体排放的影响

作者：蔡旅程南京师范大学

学位级别：硕士

我国是世界上重要的农业大国,每年产生大量的农作物秸秆,秸秆是非常丰富、廉价且易于获取的自然资源,如何合理地将这些资源利用起来,既使资源得到充分合理的利用,又使环境不会遭受污染和破坏,成为现代农业面临的一大难题。秸秆还田能有... 详细信息

我国是世界上重要的农业大国,每年产生大量的农作物秸秆,秸秆是非常丰富、廉价且易于获取的自然资源,如何合理地将这些资源利用起来,既使资源得到充分合理的利用,又使环境不会遭受污染和破坏,成为现代农业面临的一大难题。秸秆还田能有效提升土壤肥力,因而被广泛认可,但也存在着显著增加温室气体排放的弊端。因此,寻找秸秆还田条件下合适的减排措施有很重要的意义。本文研究了添加不同秸秆腐解菌剂处理、纤维素酶处理,秸秆腐解速度的差异和土壤CH4和CO2排放通量的差异,明确秸秆腐解菌剂和纤维素酶对土壤CH4和CO2排放的影响。其主要结果如下：(1)不同秸秆腐解菌剂对秸秆腐解的影响存在很大差异,本研究中“瑞莱特”微生物催腐剂(RL)对秸秆腐解的促进作用最明显,且CH4累积排放量与60d后秸秆失重率显著正相关(R=0.491,p甲烷古菌和甲烷氧化细菌的丰度,以及运行MFC后土壤理化性质的差异,明确微生物产电过程对土壤CH4和CO2排放的影响,及其微生物学机理。其主要结果如下：(1)MFC连接的外阻越小CH4排放峰值越低、累积排放量越少,CH4的30d累积排放量与MFC连接的外阻呈极显著相关(R=0.817,p0.05)。(2)CH4的排放与秸秆添加量有极显著正相关(开路组OC：R=0.941,p甲烷古菌丰度无显著差异(p>0.05),秸秆添加量为0.5%的开路组与闭路组之间甲烷氧化细菌丰度也无显著差异(p>0.05),但秸秆添加量为2%的开路组(OC4)甲烷氧化细菌丰度显著高于对应的闭路组(CC4),因此在秸秆添加量为0.5%时,MFC对CH4的减排效应占主导,在秸秆添加量为2%时,MFC对CH4氧化的抑制效应占主导。同时,本文研究了在盆栽水稻条件下添加不同量秸秆MFC土壤CH4和CO2排放通量的差异,分析添加不同量秸秆条件下运行MFC后土壤理化性质的差异,来明确盆栽水稻条件下MFC对土壤CH4和C02排放的影响,以及放大实验规模和种植水稻对CH4和CO2排放规律是否会产生影响。结果显示,盆栽水稻条件下结果与未种植水稻时相似,同时,运行MFC对水稻生长无显著影响。本研究明确了秸秆腐解菌剂和纤维素酶对土壤CH4和CO2排放的影响;明确了微生物产电过程对土壤CH4和C02排放的影响,及其微生物学机理。为秸秆还田条件下温室气体的减排提供了新的思路和方法。

关键词：稻田土壤温室气体微生物燃料电池产甲烷古菌甲烷氧化细菌秸秆腐解菌剂

大气CO2浓度升高下稻田土壤甲烷氧化的微生物调控机理

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大气CO2浓度升高下稻田土壤甲烷氧化的微生物调控机理

作者：严陈南京师范大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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CO2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

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土壤甲烷氧化菌群落结构研究进展

生物学杂志 2017年第6期34卷 78-82页

作者：曹淑贞沈媛媛王风芹宋安东桑玉强河南农业大学生命科学学院郑州450002 河南农业大学林学院郑州450002

CH4气体具有极强的红外线吸收能力,单分子CH4造成的增温效应可以达到单分子CO2的15~30倍,更是远远高于其他温室气体。地表甲烷氧化和释放对整个生态系统的物质循环和动态平衡意义重大,近年来科学家围绕土壤甲烷氧化细菌做了大量研究工作... 详细信息

CH4气体具有极强的红外线吸收能力,单分子CH4造成的增温效应可以达到单分子CO2的15~30倍,更是远远高于其他温室气体。地表甲烷氧化和释放对整个生态系统的物质循环和动态平衡意义重大,近年来科学家围绕土壤甲烷氧化细菌做了大量研究工作,取得进展的同时也存在诸多问题。以甲烷氧化菌为出发点,总结目前国内外关于土壤甲烷氧化的研究进展,重点介绍了甲烷氧化菌群落结构研究的各种分子生物学方法,旨在推进对土壤氧化甲烷菌作用机制的研究,完善引起温室效应的生物学因素,为进一步对地表土壤甲烷通量的分析和研究提供理论依据。

关键词：甲烷氧化细菌菌落结构土壤