甲烷(CH4)作为仅次于二氧化碳(CO2)的全球第二大温室气体,对全球温室效应产生重要影响。稻田是大气甲烷重要的排放源,约占大气甲烷总来源的9-19%。传统的产甲烷互营理论认为,稻田土壤的产甲烷过程只能依赖“氢气/甲酸”为电子载体进行种间电子互营。最近发现一种新的微生物电子互营机制——直接种间电子传递,它不同于以“氢气/甲酸”为载体进行种间电子传递的传统互营模式,是微生物通过自身产生的纤毛、分泌的细胞色素以及导电物质直接将代谢产生的电子传递给其他的微生物。最新的研究发现稻田土壤中Geobacter-methanogens产甲烷菌间可以利用直接种间电子传递机制进行产甲烷,但是这种机制对稻田土壤产甲烷的影响及其电子传递机制还没有得到清晰的认识。
稻田土壤释放的甲烷主要是由产甲烷微生物介导的的生物地球化学循环过程产生的,产甲烷过程需要产甲烷微生物与互营微生物进行互营代谢,目前关于种间互营代谢过程的电子传递机制一直没有得到清晰的认识,而互营过程的电子传递方式直接影响着产甲烷效率。Geobacteraceae作为水稻土中重要的铁还原微生物,也能够与产甲烷微生物进行互营代谢,因此研究水稻土中“Geobacter-methanogens”之间的电子传递机制,为稻田甲烷释放提供理论依据,同时为稻田甲烷减排提供技术支持。
本论文以华南稻田土壤为研究对象,以电子传递为核心,研究了“Geobacter-methanogens”之间的电子传递过程及其对稻田产甲烷活动影响效应与机制,探讨了腐殖质、铁氧化物-腐殖质共存对其产甲烷活动和微生物群落结构的影响,证实了Geobacter-methanogens进行直接电子传递的可能性;同时,研究了水铁矿晶形转化对稻田长期产甲烷活动的影响,揭示了不同晶型铁氧化物介导不同的微生物种间电子传递途径对产甲烷活动的影响;最后,以水稻土中常见的Geobacter菌和产甲烷菌为对象进行纯菌培养,以生物炭导电性为切入点,探讨了“Geobacter-生物炭-methanogens”共存体系中的电子传递途径,揭示生物炭导电性对产甲烷电子转移过程的影响机制。论文主要结论如下:
1、研究了醌类物质(蒽醌-2,6-双磺酸,AQDS)对稻田土壤产甲烷活性及其微生物群落结构的影响。结果表明,AQDS对产甲烷的影响与其浓度有关,低浓度(0.5和5 mM AQDS)促进产甲烷,高浓度(20 mM AQDS)抑制产甲烷。而且低浓度AQDS对产甲烷活动的影响随时间变化,我们推测是由于培养前期AQDS还原促进Geobacter菌的生长,轻微抑制产甲烷过程,后期AQDS还原激发Geobacter菌与产甲烷菌之间建立直接种间电子传递关系,促进产甲烷活动。
2、研究了不同铁氧化物(水铁矿、赤铁矿、磁铁矿)与AQDS共存对产甲烷活动的影响。结果表明:半导电或导电铁氧化物(赤铁矿和磁铁矿)促进产甲烷活动,非导电的水铁矿抑制产甲烷活动;同时添加AQDS和铁氧化物的反应体系与只添加铁氧化物的反应体系相比,产甲烷活动存在一定的差异,除了磁铁矿和磁铁矿+AQDS,添加AQDS的各反应体系中的甲烷产量均高于未添加AQDS的处理,说明腐殖质和铁氧化物对产甲烷过程的影响在其共存条件下不具有叠加性,铁氧化物的导电性决定两者对产甲烷过程的影响。我们推断在同时添加具有导电特性的铁氧化物和AQDS的反应体系中存在着Geobacter菌和产甲烷菌的直接电子互营关系,在这个体系中,Geobacter菌与Methanosarcina之间以导电性的铁氧化物为介导进行直接种间电子传递,从而提高电子传递效率,促进甲烷的产生。
3、水铁矿生物成矿过程对产甲烷活动的影响机制研究。实验结果表明,水铁矿经过微生物还原后形态结构和导电特性发生明显变化,由低结晶度的水铁矿逐渐转变成高结晶度的磁铁矿;水铁矿形态结构的转变对产甲烷活动产生重要影响,由最初的抑制产甲烷转变成促进产甲烷。我们推测在加入水铁矿后,随着时间的变化,水铁矿逐渐转变成其他晶型的铁氧化物,因此改变体系中产甲烷的代谢途径,由最初以种间氢传递为主的产甲烷机制,转变成后期的以直接种间电子传递机制为主的产甲烷机制,使体系中产甲烷效率由抑制效果转变成促进效果。
4、生物炭介导种间电子传递对产甲烷活动的影响。结果表明:导电生物炭对Geobacter菌与Methanosarcina共培养体系产甲烷的影响是分阶段,前半阶段抑制产甲烷,后半阶段促进产甲烷。不导电生物炭对产甲烷活动只有抑制没有促进作用。添加生物炭提高体系的氧化还原电位从而抑制产甲烷活动。生物炭的导电性对共培养体系的产甲烷活动影响很大,导电性生物炭会激发Geobacter菌与Methanosarcina以直接种间电子传递的方式进行产甲烷,从而提高种间电子的传递效率,促进甲烷的释放。
总之,本论文较系统地阐明稻田土壤中Geobacter-Methanogens种间电子传递过程及其对稻田产甲烷的影响机制,揭示土壤有机碳厌氧代谢过程对甲烷排放量的贡献,为更好理解稻田土壤有机碳循环过程提供理论依据,为稻田甲烷减排提供技术支持。