| 题名 | 典型红壤和水稻土中甲烷营养菌的分子生态学特征 |
| 作者 | 郑勇 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 贺纪正 |
| 关键词 | 甲烷营养菌 水稻土 旱地红壤 长期施肥 土地利用方式 丰度 群 落结构 CH4 氧化速率 pmoA 16S rRNA 变性梯度凝胶电泳 实时荧光定量 PCR Methanotroph Paddy soil Upland red soil Long-term fertilization Land utilization pattern Abundance Community structure Methane oxidation rate Denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) real-time PCR |
| 其他题名 | Molecular Ecological Characteristics of Methanotrophs in Chinese Paddy and Upland Red Soils |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 作为最重要温室气体之一，甲烷(CH4)的产生和氧化直接影响到其在大气中 的浓度。水稻土是CH4 重要的源，旱地土壤是CH4 重要的汇(库)，受到研究者的 高度重视。土壤中甲烷营养菌能够将CH4 转化为CO2 或生物质，从而降低水稻 土中CH4 的释放，增加旱地土壤对CH4 的氧化吸收。该功能菌群在碳生物地球 化学循环及缓解由温室气体导致的全球气候变化方面发挥着重要作用。本研究主 要利用现代分子生物学技术，辅以培养的手段，较为系统地研究了水稻土和旱地 土壤中甲烷营养菌的数量、群落组成与多样性，土壤氧化CH4 的活性对营养和 重金属胁迫的响应，主要得到以下研究成果： 1. 长期施肥处理显著影响典型南方水稻土中甲烷营养菌丰度及群落组成， 且影响程度随着季节改变而有所变化。以湖南桃源水稻土(中国科学院桃源农业 生态试验站，简称桃源站)为材料，通过实时荧光定量PCR (real-time PCR)和变 性梯度凝胶电泳(DGGE)方法研究了长期施肥处理条件下典型南方水稻土中甲烷 营养菌的分子生态学特征。结果表明，偏施N 肥可以抑制甲烷营养菌生长从而 减少其数量，而NK 和NPK+C 处理则能够刺激甲烷营养菌生长并增加其数量。 冬季施肥处理之间甲烷营养菌数量上的差异比夏季更为明显。另一方面，施肥种 类和季节更替均影响甲烷营养菌群落结构。NK 和NPK+C 两处理下甲烷营养菌 群落组成分别在冬季和夏季与其它施肥处理存在更大差异。此外，相对于冬季， 夏季时出现的新型的甲烷营养菌菌属被鉴定为Methylobacter, Methylomicrobium 和Methylomonas，此3 个菌属均为Type I 甲烷营养菌，即在季节更替时，Type I 甲烷营养菌群落组成变化更为明显。总而言之，N、K 和水稻秸秆还田是影响水 稻土甲烷营养菌丰度和群落结构的重要因素，Type I 甲烷营养菌对季节变化的敏 感性强于Type II。 2. 不同土地利用方式导致的土壤地表植被、人为扰动强度及土壤养分含量 的差异制约着旱地红壤甲烷营养菌的分子生态学特征。联合采用real-time PCR、 DGGE 和克隆文库的方法分别定量和定性地研究了桃源站典型南方旱地红壤不 同生态系统条件下甲烷营养菌的丰度、多样性及其群落组成。试验处理包括退化 区(D)、农作区(F)和恢复区(R)。定量结果显示恢复区(R)与农作区(F)土壤的甲烷营养菌数量显著高于退化区(D)，且在3 种不同土地利用方式下土壤甲烷营养菌 数量均一致表现为Type I > Type II。DGGE 和克隆文库的研究结果一致表明农作 区(F)处理下土壤甲烷营养菌的多样性指数最低。此外，测序及系统发育分析表 明，旱地红壤Type I 型甲烷营养菌以Methylocaldum、Methylohalobius 和 Methylothermus 等3 个菌属占主导，Type II 型甲烷营养菌以Methylocystis 和 Methylocella 为主。 3. 水稻土氧化CH4 能力最强，施加营养和重金属元素胁迫均能不同程度地 抑制水稻土对CH4 的氧化，甲烷营养菌分子生态学特征随之发生变化。为更好 地支持以上关于不同施肥处理和土地利用方式下水稻土和旱地土壤甲烷营养菌 的分子生态学研究结果，进一步设计了微宇宙培养试验，考察添加营养元素(N、 P、K)和重金属元素镉(Cd)对土壤氧化CH4 能力的影响。比较研究发现桃源水稻 土(TP)对CH4 氧化速率最高，故选取TP 作为下一步试验的供试土壤。培养实验 发现，添加KCl 后，几乎完全地抑制了水稻土对CH4 的氧化能力，进一步研究 表明，这种强抑制作用主要是由Cl-所致。总体来说，添加营养元素对于水稻土 氧化CH4 作用的负效应大小依次为N > K > P。分子实验结果发现，培养过程使 得水稻土甲烷营养菌丰度和群落组成均发生了相应的变化。另一方面，研究发现 随着添加Cd 浓度的增加，水稻土氧化CH4 速率减小，甲烷营养菌丰度大小与土 壤氧化CH4 速率成正比。此外，DGGE 研究结果表明不同Cd 浓度胁迫下水稻土 甲烷营养菌群落组成发生明显变化。 总之，本研究发现长期不同施肥和土地利用方式分别影响着水稻土和旱地红 壤甲烷营养菌的丰度、群落组成和多样性特征，并直接影响土壤对CH4 的氧化 活性。这些结果可为科学合理地进行施肥和耕作管理，减少稻田CH4 排放，促 进旱地土壤CH4 吸收，降低大气CH4 浓度，最终缓解全球温室效应等提供科学 依据与指导。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 环境生物学 |
| 公开日期 | 2010-06-07 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/330]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_土壤环境科学实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郑勇. 典型红壤和水稻土中甲烷营养菌的分子生态学特征[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2009. |
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