| 题名 | 黄河三角洲湿地甲烷氧化菌的生理特征及生态功能研究 |
| 作者 | 郝钦钦 |
| 答辩日期 | 2020-05-26 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院烟台海岸带研究所 |
| 导师 | 刘芳华 |
| 关键词 | 甲烷氧化 滨海湿地 甲烷氧化菌 甲基杆菌属 甲烷汇 Methane Oxidation Coastal Wetland Methanotrophs Methylobacter Methane Sink |
| 学位名称 | 理学博士 |
| 其他题名 | Physiological Characteristics and Ecological Functions of Methane-Oxidizing Bacteria in the Yellow River Delta Wetland |
| 学位专业 | 海洋生物学 |
| 英文摘要 | 甲烷是重要的温室气体，自然湿地是甲烷的主要来源。甲烷氧化菌能够利用湿地中产生的甲烷，使湿地环境成为潜在的甲烷汇。甲烷氧化菌分为好氧甲烷氧化菌和厌氧甲烷氧化菌。好氧甲烷氧化菌广泛分布于有氧环境且易于分离，而厌氧甲烷氧化菌难以进行纯培养，这限制了对其共生机制的研究。因此，分离能在厌氧条件下发挥作用的好氧甲烷氧化菌，探究其生理学特征，并建立甲烷氧化菌与铁还原菌的共生关系，分析甲烷氧化菌在滨海湿地中的好氧及厌氧甲烷氧化功能，有利于加深对滨海湿地甲烷氧化菌生理特征及生态功能的认识。本研究以黄河三角洲湿地土壤作为研究对象，通过实验室纯培养技术、微宇宙模拟实验、以及16S rRNA高通量测序，分离获得了甲烷氧化菌及其伴生菌菌株；分析了伴生菌及生物炭对甲烷氧化的影响；构建了甲烷氧化菌和Geobacter的厌氧共生模型；解析了黄河三角洲湿地在非淹水期为甲烷汇的微生物学机制；揭示了好氧甲烷氧化菌对黄河三角洲湿地厌氧甲烷汇的贡献。本研究的主要结论如下： （1）从好氧和厌氧条件下培养的黄河三角洲湿地土壤中分别获得甲烷氧化菌Methylobacter sp. YHQ和Methylobacter sp. YRD-M1。两株菌的序列相似性为99.9%，属于同一种甲烷氧化菌。基因组数据表明菌株Methylobacter sp. YRD-M1是新种。另外，从甲烷氧化富集物中分离得到4种甲烷氧化菌的伴生菌。该研究获得了新的菌株资源，有助于丰富湿地甲烷氧化菌的种类，加深对湿地甲烷氧化菌生理学的认识。 （2）甲烷氧化菌的伴生菌Pseudomonas putida、Sphingopyxis indic及Sinorhizobium melioti具有促进甲烷氧化的功能，本研究有助于认识甲烷氧化过程中伴生菌的生理特征及功能。同样地，添加生物炭能够促进甲烷氧化菌的甲烷代谢，改变代谢过程，促进生物质的合成。添加低温（400 ℃）下形成的生物炭后，甲烷氧化菌的生物质合成量约是对照组的2倍，具有极显著的促进效果（P<0.01）。生物炭也可以提高二氧化碳的产生速率，但对二氧化碳的总产量无显著影响。生物炭能够减少中间代谢产物甲酸的产生，且生物炭的热解温度越高甲酸的产生量越少。此外，生物炭可以缓解二氧化碳对甲烷氧化过程的抑制作用。虽然生物炭可以缓冲pH，但该功能在促进甲烷氧化过程中作用不明显。综上所述，生物炭能够改变甲烷中碳的代谢分布，该结果进一步揭示了生物炭对甲烷氧化过程的作用机制。伴生菌及生物炭能够促进甲烷氧化，这为减少湿地甲烷排放提供了新思路。 （3）通过建立甲烷氧化菌Methylobacter与铁还原菌Geobacter的共生关系，实现将富马酸转化为琥珀酸，同时在该共生体系中有红色球状团聚体形成。通过扫描电镜观察发现该团聚体中Geobacter的数量更高。此外，添加活性炭能够促进共培养体系中有机酸的转化，但该作用受活性炭添加时期的影响。在共培养建立初期，添加活性炭可以促进有机酸的转化，缩短反应停滞时间；而在形成稳定共生关系的体系中，活性炭的添加抑制代谢过程，但转接后活性炭可以促进有机酸的转化。同时，探究了缺陷型菌株对共生关系的影响，研究结果表明菌毛缺陷型地杆菌△pilA Geobacter与Methylobacter共培养时不能转化有机酸，表明菌毛在建立共生过程中具有重要作用，且活性炭不能弥补菌毛的功能。进一步建立了甲烷氧化菌Methylomonas和Geobacter的共培养体系，研究发现该共培养物的代谢过程与Methylobacter和Geobacter共培养体系相似，活性炭的添加能够促进有机酸的转化，且菌毛和c型细胞色素蛋白在有机酸代谢过程中具有重要作用。本研究通过对甲烷氧化菌与Geobacter的共培养，建立了新的共生模型。 （4）在非淹水条件下，黄河三角洲湿地土壤的好氧和厌氧甲烷氧化活性增强。其中，非淹水条件的好氧甲烷氧化速率是淹水条件的4倍。因而，该区域在非淹水期可以成为甲烷汇。其中主要的贡献者是Methylomicrobium和Methylobacter。从中分离得到的甲烷氧化菌Methylobacter sp. YHQ的活性随空气含量的增加而提高，表明甲烷氧化菌在空气流通较好的非淹水期具有更高的甲烷氧化能力。本研究结果有利于加深对滨海湿地甲烷氧化菌的功能及生理学认识。 （5）黄河三角洲湿地土壤在缺氧条件下能够发生厌氧甲烷氧化，基于RNA水平的16S rRNA高通量测序分析显示典型的好氧甲烷氧化菌甲基杆菌Methylobacter可能参与了厌氧甲烷氧化过程。从中分离的好氧甲烷氧化菌Methylobacter sp. YRD-M1在缺氧的纯培养体系及复杂的土壤环境中都可以消耗甲烷，进一步证实了Methylobacter的厌氧甲烷氧化功能。通过基因组数据分析显示菌株Methylobacter sp. YRD-M1具备亚硝酸还原过程的关键基因（nirK、norB、norC），表明亚硝酸盐可能是厌氧条件下的电子受体。由此可知，典型好氧甲烷氧化菌Methylobacter可以清除缺氧环境中的甲烷，该研究拓展了对厌氧甲烷氧化菌种类的认知。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24235]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郝钦钦. 黄河三角洲湿地甲烷氧化菌的生理特征及生态功能研究[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院大学. 2020. |
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