黄河上游梯级水库沉积物甲烷氧化菌丰度和群落结构特征

甲烷氧化菌(Methanotrophs)是一类可以利用甲烷(CH_(4))作为唯一碳源和能源的细菌,在生态系统碳循环过程中起着重要的作用。为探究黄河上游梯级水库沉积物甲烷氧化菌的群落组成、基因丰度及其影响因素,以黄河上游大河家至龙羊峡段的10座梯级水库为研究对象,通过甲烷氧化菌功能基因(pmo A)高通量测序和实时荧光定量PCR研究黄河上游不同水文期(枯水期、丰水期)和不同库龄(高库龄、低库龄)梯级水库沉积物中甲烷氧化菌的群落组成和基因丰度,利用“rdacca.hp”包及FAPROTAX功能预测分析甲烷氧化菌的影响因素和生态功能。结果表明,1)黄河上游梯级水库沉积物相对丰度排名前3的甲烷氧化菌属分别为甲基孢囊菌属(Methylocystis,22.70%)、甲基杆菌属(Methylobacter,19.00%)和甲基暖菌属(Methylocaldum,7.17%);甲烷氧化菌α多样性和β多样性均表现为丰水期高于枯水期(p<0.05),二者在不同库龄之间差异性不显著(p>0.05)。2)甲烷氧化菌的pmoA基因丰度在枯水期(1.47×10^(5) copies·g^(-1))显著低于丰水期(9.08×10^(5) copies·g^(-1))(p<0.05);空间上,枯水期呈现从上游(3.92×10^(5) copies·g^(-1))到下游(0.50×10^(5) copies·g^(-1))减少的趋势,丰水期呈现为从上游(5.37×10^(5) copies·g^(-1))到下游(26.52×10^(5) copies·g^(-1))增加的趋势。3)水体总有机碳(19.31%)、总氮(16.40%)、沉积物温度(13.03%)和pH(10.40%)是影响甲烷氧化菌群落组成的重要环境因素;甲烷氧化、甲基营养化、烃降解和化能异养是甲烷氧化菌的主要生态功能。梯级水库的建设影响了沉积物甲烷氧化菌群落演替的时空模式。研究结果可为黄河上游梯级水库CH_(4)生物减排提供一定的参考。

水稻土好氧甲烷氧化菌对大气CO_(2)浓度升高的适应规律

CH4是仅次于CO_(2)的第二大温室气体,而稻田是CH4的主要排放源,未来大气CO_(2)浓度升高情景下(elevatedCO_(2),eCO_(2)),水稻土好氧甲烷氧化过程及其功能微生物群落适应规律尚不清楚。依托中国FACE(FreeAir CO_(2) Enrichment)水稻田试验平台,通过13C-CH4示踪的室内微宇宙培养实验,采用稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)和高通量测序技术,研究未来大气CO_(2)浓度升高对水稻土甲烷氧化活性及其功能微生物的影响规律。结果表明:与常规大气CO_(2)浓度(ambient CO_(2),aCO_(2))相比,eCO_(2)条件下的甲烷氧化活性显著增加,从243 nmol·g^(-1) d.w.s·h^(-1)增加至302 nmol·g^(-1) d.w.s·h^(-1),增幅高达24.3%,甲烷氧化菌数量则增加了1.1倍~1.2倍。通过超高速离心获得活性甲烷氧化菌同化13CH4后合成的13C-DNA,高通量测序发现,未来大气CO_(2)升高情景下水稻土活性好氧甲烷氧化微生物群落极可能发生明显演替,与对照相比,类型I甲烷氧化菌甲基杆菌属Methylobacter的相对丰度增加16.2%~17.0%,而甲基八叠球菌属Methylosarcina的相对丰度下降4.7%~11.1%;同时刺激了食酸菌属Acidovorax和假单胞菌属Pseudomonas等非甲烷氧化菌的活性。综上所述:未来大气CO_(2)升高情景下,水稻土好氧甲烷氧化微生物群落结构发生分异,促进了甲烷氧化通量,而甲烷氧化的代谢产物可能引发土壤中微生物食物网的级联反应,是土壤碳储存和周转的重要功能微生物群。

利用甲烷氧化菌产生聚-β-羟基丁酸酯的研究进展

聚-β-羟基丁酸酯(PHB)是原核微生物产生的一种生物聚酯,主要作为储能物质以颗粒形式在细胞内积累,具有良好的生物相容性、生物降解性、非线性光学活性、成膜性、气体相隔性、抗凝血性等高附加值性能,被认为是化石聚合物的可再生与可生物降解替代品,对缓解世界化石能源危机与环境污染有积极作用。系统总结了目前可生产PHB的甲烷氧化菌种、PHB在菌体内的合成途径、影响甲烷氧化菌累积PHB的因素,并对存在的问题和未来的发展趋势进行了探讨。

耕种对喀斯特地区土壤甲烷氧化菌丰度及群落结构的差异分析

为了探讨喀斯特地区耕种对土壤甲烷氧化菌丰度和群落结构的影响,明确休耕后菌群的恢复状况,研究选取喀斯特核心区域的天然林地(未人工耕种)为对照,以连续多年耕种的玉米地、休耕地为研究对象,采用实时荧光定量PCR和高通量测序pmoA基因的方法测定土壤甲烷氧化菌的丰度和群落结构变化,以期为喀斯特地区土壤甲烷氧化菌群的恢复提供数据支撑。研究结果表明人工耕种影响土壤甲烷氧化菌的丰度和群落变化,耕种后土壤甲烷氧化菌的基因拷贝数介于9.64×10^(6)~6.96×10^(7)copies/g,优势种群主要集中在氧化效率较低的Ⅰ型上,休耕后土壤甲烷氧化菌优势菌群的种类增多,氧化效率高的Ⅱ型甲烷氧化菌占比增加,有利于土壤甲烷氧化菌落的恢复。

填埋场生物炭-甲烷氧化菌改性覆层的甲烷氧化特性

填埋场覆盖层是一种控制甲烷逃逸的最简单可行办法,然而一般的土质覆盖层工程特性差,与微生物甲烷氧化菌的甲烷氧化效能低。生物炭施加到土体中能够改变土体的微环境和微生物活性,进而可影响生物氧化甲烷的效能。为了研究生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率,该研究使用甲烷检测仪,测定不同pH、甲烷浓度、土样干密度和生物炭掺量下,有菌和无菌土样的甲烷降低率的变化规律。结果表明:当无机盐培养液的pH值为7时,甲烷氧化菌具有较高的氧化效能;pH值为9时,甲烷氧化菌的甲烷降低率小于pH值为7时。在一定初始甲烷浓度下,甲烷氧化菌的氧化效能随着初始甲烷浓度的增大而增大,但当初始甲烷浓度超过一定值时会抑制甲烷氧化菌的氧化效能,生物炭掺量和干密度均会影响甲烷氧化菌甲烷削减效能。随着生物炭掺量的增加,生物炭-甲烷氧化菌改性土的甲烷氧化效率是逐渐增大的;在干密度和生物炭掺量为1.20 g/cm3和15%时,无菌和有菌两种工况的甲烷降低率降幅较明显,分别为10.38%和39.72%。由此表明添加生物炭改变了填埋场覆盖层土体的微环境,提高了甲烷氧化菌的甲烷氧化效能,该研究对填埋场温室气体减排、大气污染防治及土体固碳减排具有重要学术意义和实际价值。

大于80年自然风干保存土壤中甲烷氧化菌的复苏与富集

本研究通过对长期保存的土壤标本中甲烷氧化菌的复苏和富集培养,明确了活性甲烷氧化菌类群及其氧化甲烷潜力,同时分析了对长期干旱胁迫有较强抗逆性的甲烷氧化菌种类。研究主要针对自然风干保存83~87年的采集自福建龙岩荒地、江西南昌水田、四川华阳旱地、甘肃榆中林地、青海湟源和青海都兰牧场的6个土壤标本进行了高浓度甲烷条件下的微宇宙培养,利用气相色谱法测定了甲烷气体浓度动态变化情况以研究其甲烷氧化能力;在获得富集培养物后提取基因组DNA,利用16S rRNA和pmo A基因高通量测序分析了整体微生物和甲烷氧化菌的群落结构;同时,利用两种基因的长片段克隆测序对优势甲烷氧化菌序列进行了系统发育分析。结果显示:经过短暂的复苏,6例土壤档案样品均表现出强烈的甲烷氧化活性,前两代富集液甲烷氧化速率较慢,甲烷氧化速率仅为1.4~3.8μg/(mL·h),而第三代富集液的甲烷氧化速率达到了4.9~7.7μg/(mL·h)。其中,福建龙岩、江西南昌、青海都兰3个样品的富集物还可以将高浓度甲烷持续氧化到大气甲烷浓度(1.8μL/L)以下。高通量测序结果表明,6种富集物中甲烷氧化菌在细菌总量中的占比为39%~85%;pmoA功能基因分析表明,富集物中的优势甲烷氧化菌均为Methylocystis(TypeⅡa)。克隆序列的系统发育分析表明,富集到的Methylocystis种类和已知的Methylocystis rosea strain BRCS1亲缘关系最近,16S rRNA基因相似性为99.86%,pmoA基因相似性为99.05%。可见,TypeⅡa型Methylocystis属甲烷氧化菌具有强大的抗干旱胁迫的能力,经80年的风干保存后其活性仍可以迅速恢复,TypeⅡ甲烷氧化菌在未来将拥有更大的应用空间和价值。此外,长期保存的土壤档案样品仍具有较高的潜在生物活性,因此风干保存的土壤样品同样具有重要的微生物学研究价值。

甲烷氧化菌产单细胞蛋白及其在水产饲料中的应用

随着我国水产行业的迅速发展,鱼粉蛋白资源出现严重匮乏,开发新型非粮蛋白饲料成为解决蛋白资源短缺的重要途径。甲烷氧化菌生产的单细胞蛋白因其高蛋白、低脂肪、不饱和脂肪酸含量高、必需氨基酸种类丰富等特点,已成为水产养殖中动、植物蛋白的良好替代品。文章主要综述了甲烷氧化菌产单细胞蛋白的研究现状、营养特性以及对水产动物的生长性能、饲料转化率、肠道健康等方面的影响,并对甲烷氧化菌产单细胞蛋白的应用前景进行展望,为甲烷氧化菌产单细胞蛋白的开发与利用提供理论参考。

青海湖河源湿地甲烷氧化菌群落对温度升高的响应

甲烷氧化菌对甲烷的氧化能力显著影响全球甲烷排放总量。研究河源湿地甲烷氧化菌群落对温度升高的响应有助于深入探究河源湿地生态系统的甲烷循环机制。采用高通量测序方法研究了温度升高后青海湖河源湿地甲烷氧化菌群落特征的变化。青海湖河源湿地甲烷氧化菌的优势菌门为变形菌门,增温处理没有显著影响河源湿地甲烷氧化菌的群落多样性。河源湿地甲烷氧化菌的群落结构对温度升高响应明显,增温显著增加了属水平优势菌群(相对丰度>0.1%)的相对丰度。LEfSe分析表明,增温处理组与自然对照组共存在23个差异菌群,增温显著增加了甲基球菌属的相对丰度,显著降低了甲基杆菌属的相对丰度。河源湿地甲烷氧化菌群落功能与碳、氮代谢过程密切相关。整体而言,河源湿地甲烷氧化菌的群落结构对温度升高较为敏感,部分菌群的相对丰度变化显著。

甲烷氧化菌素-铜配合物催化过氧化氢氧化对苯二酚

为了探讨甲烷氧化菌素(Mb)-铜配合物(Mb-Cu)模拟过氧化物酶的可行性,利用HP20大孔树脂、Su-pelco LC-C18固相萃取和固定化金属亲和层析从甲基弯菌IMV3011中分离纯化得到Mb.铬天青比色法显示Mb具有铜亲和性.通过液相色谱-飞行时间质谱联用仪、紫外光谱和荧光光谱对Mb结构进行了表征.使用Mb-Cu配合物作为过氧化物酶模拟物,利用紫外-可见分光光度法研究了Mb-Cu催化过氧化氢氧化对苯二酚的动力学.考察了体系温度、Mb-Cu添加量及过氧化氢浓度对催化反应的影响,发现Mb-Cu符合生物催化剂条件影响的一般规律,但比生物酶具有更高的热稳定性.研究结果表明,Mb-Cu可作为催化氧化对苯二酚的过氧化物酶模拟酶.

气库上方土壤中甲烷氧化菌群落研究——以大港油田板873储气库为例

利用基于甲烷氧化菌(MOB)功能基因pmoA克隆建库以及变形梯度凝胶电泳(DGGE)分子生态学方法来研究已知的大港油田天然气库上方土壤样品甲烷氧化菌群落多样性。构建了同一取样点不同深度土壤样品5个甲烷氧化菌功能基因pmoA基因克隆建库,所有的克隆都属于甲烷氧化菌。克隆文库结果显示同一剖面不同深度土壤中MOB的优势菌群有所不同:优势菌甲基弯曲菌属(Methylosinus)出现在所有的5个克隆文库中。甲基孢囊菌属(Methylocystis)在文库中所占得比例从11%(DG0.5)上升到30%(DG1),在文库DG1.5达到31%,接着下降4%(DG2),在文库DG2.5没有发现甲基孢囊菌属(Methylocystis)。DGGE电泳图也同样显示出以上的甲烷氧化菌菌群的变化。

铜对甲烷氧化菌素生产的影响及甲烷氧化菌素的纯化

甲烷氧化菌素是甲烷氧化菌分泌的能够捕获铜的一种生物螯合剂。研究了Cu2+在甲烷、甲醇作为碳源时,对甲烷氧化菌细胞浓度和甲烷氧化菌素发酵产量的影响;采用大孔树脂法及大孔树脂—固相萃取混合法纯化甲烷氧化菌素,探索固相萃取的条件,并通过HPLC分析其样品的纯度。结果表明,随着Cu2+浓度的增加,甲烷氧化菌细胞的生长速率有很大的提高,而甲烷氧化菌素的产量降低。大孔树脂和固相萃取法能够纯化甲烷氧化菌素。并且固相萃取法的洗脱体系为甲醇—水,洗脱梯度为60%。

响应面法优化甲烷氧化菌3011高产甲烷氧化菌素的研究

利用响应面方法对甲烷氧化菌3011发酵产甲烷氧化菌素（Mb）条件进行了优化。以Mb产量为考察指标，利用Plackett—Burman设计对影响产量的7个因素进行评价，筛选出具有显著效应的3个因素，这三个因素分别为甲醇流加量、铜离子浓度和pH。利用Box—Behnken实验设计对显著因素进行优化，得到产Mb的最优发酵培养条件为甲醇流加量54．1umol／min，pH6．39，铜17．03umoL／L，温度30℃，接种量5×106 CFU／mL，通氧量30L／h，搅拌转速400r／min．此条件下Mb产号为3300．2ug／mL。由此可得响应面优化得到的生产工尹暑据高Mh产号的可行方法．

摇瓶法培养甲烷氧化菌吸附甲烷氧化菌素的研究

甲烷氧化菌素(methanobactin,mb)是甲烷氧化菌分泌的一种可结合铜的小分子荧光肽,具有氧化还原活性.采用摇瓶法培养甲烷氧化菌,通过不同培养基装液量来寻找菌体的生长规律,确定最适生长条件,并采用大孔树脂法分离纯化甲烷氧化菌素,通过大孔树脂对甲烷氧化菌素的静态吸附及动态吸附方式对比,找到最佳的吸附效果.实验结果表明,摇瓶法培养的最佳培养基装液量1.5 L,通过大孔树脂静态吸附是最佳的吸附甲烷氧化菌素方式,为今后提高甲烷氧化菌素的分离能力奠定了科学基础.

长期不同施肥下水稻土甲烷氧化能力及甲烷氧化菌多样性的变化

稻田内源甲烷的氧化是稻田甲烷减排的重要途径。而甲烷氧化菌是土壤中甲烷氧化的主要施动者,在长期不同施肥条件下,土壤微生物群落的演变是否影响到土壤甲烷氧化菌群落结构及其活性,进而影响到田土壤CH4向大气的实际排放强度还不清楚。为此,选择太湖地区一个长期肥料试验的稻田土壤为研究对象,分析长期不同肥料施用对土壤甲烷氧化能力的影响及其与土壤中甲烷氧化菌群落结构变化的可能关系。结果表明,长期不同的施肥措施下稻田土壤对甲烷的氧化能力产生了明显差异,伴随着土壤中甲烷氧化菌(MOBI和MOBII)的基因群落多样性的显著变化。长期单一施用氮肥为主的化肥显著降低了土壤对甲烷的氧化能力,同时显著降低了稻田土壤甲烷氧化菌的多样性和丰富度;不同施肥下甲烷氧化菌多样性的变化与土壤的甲烷氧化能力的变化趋势相一致。因此,研究显示长期不同施肥处理下甲烷氧化菌群落结构的改变可能是引起水稻土甲烷氧化能力变化的一个主要因素,有机无机配合施用可以明显降低稻田土壤甲烷的大气释放潜能。但长期不同施肥处理下甲烷氧化菌活性的变化还有待于进一步研究。

不同水稻土甲烷氧化菌和产甲烷菌数量与甲烷排放量之间相关性的研究

对不施用任何肥料的浙江黄松土 (发育于河流沉积物母质的水稻田土 )、老黄筋泥田土 (发育于第四纪红壤母质的水稻田土 )、青紫泥田土 (发育于滨海盐土母质的象山青紫泥水稻土 )中甲烷氧化菌、产甲烷菌种群数量及甲烷排放量之间关系作了研究。结果表明 ,甲烷氧化菌种群数量范围在 1 0 6～ 1 0 8cfu/g干土之间 ,其变化在 2个数量级范围内。产甲烷细菌种群数量变化较大 ,其范围在 1 0 3～ 1 0 7cfu/g干土之间。水稻田土壤的甲烷排放量受到甲烷氧化菌、产甲烷菌种群数量及其活性及土壤理化性状的影响。提出了当水稻田土壤的甲烷氧化菌种群数量在 1 0 8cfu/g干土、产甲烷菌种群数量在1 0 5cfu/g干土时 ,水稻田土壤几乎没有多余的 CH4 气体排放这一甲烷形成与甲烷氧化两类群微生物之间的数量关系。甲烷排放量也与土壤砂粒 (<0 .0 2 mm的砂粒 )含量呈正相关性 ,土壤砂粒含量越高 。

甲烷氧化菌及甲烷单加氧酶的研究进展

甲烷氧化菌是以甲烷作为唯一碳源和能源进行同化和异化代谢的微生物,其关键酶之一是甲烷单加氧酶(MMOs),可以在氧气的作用下催化甲烷等低碳烷烃或烯烃羟基化或环氧化,甲烷氧化菌在自然界碳循环和工业生物技术中具有重要的应用价值。因此,近20年来对于甲烷氧化菌和MMOs的研究一直倍受生物学家的关注。以下从现代生物技术的角度,对近年来国内外在甲烷氧化菌的分类与分布,MMOs的结构与功能、甲烷氧化菌与MMOs的基因工程等方面取得的研究成果进行了总结,全面综述了甲烷氧化菌及MMOs的应用基础研究现状,并对其今后的研究和应用方向提出了展望。

好氧甲烷氧化菌生理生态特征及其在自然湿地中的群落多样性研究进展

甲烷氧化菌是一类可以利用甲烷作为唯一碳源和能源的细菌,在全球变化和整个生态系统碳循环过程中起着重要的作用。近年来,对甲烷氧化菌的生理生态特征及其在自然湿地中的群落多样性研究取得了较大进展。在分类方面,疣微菌门、NC10门及两个丝状菌属甲烷氧化菌的发现使其分类体系得到了进一步的完善;在单加氧酶方面,发现甲烷氧化菌可以利用pM MO和sM MO两种酶进行氧化甲烷的第一步反应,Ⅱ型甲烷氧化菌中pM MO2的发现证实甲烷氧化菌可以利用这种酶氧化低浓度的甲烷;在底物利用方面,已经发现了越来越多的兼性营养型甲烷氧化菌,证实它们可以利用的底物比之前认为的更广泛,其中包括乙酸等含有碳碳键的化合物;在生存环境方面,能在不同温度、酸度和盐度的环境中生存的甲烷氧化菌不断被分离出来。全球自然湿地甲烷氧化菌群落多样性的研究目前主要集中在北半球高纬度的酸性泥炭湿地,Ⅱ型甲烷氧化菌Methylocystis、Methylocella和Methylocapsa是这类湿地主要的甲烷氧化菌类群,尤其以Methylocystis类群最为广泛,而Ⅰ型甲烷氧化菌尤其是Methylobacter在北极寒冷湿地中占优势。随着高通量测序时代的到来和新的分离技术的发展,对甲烷氧化菌的现有认识将面临更多的挑战和发展。

土壤中甲烷氧化菌种群数量及其与甲烷氧化活性的关系

采用 Hungate厌氧滚管计数技术和气相层析仪检测土样甲烷含量 ,研究分析了不同植被下黄松泥土壤中甲烷氧化菌种群的数量变化和土壤的甲烷氧化活性 .结果表明不同植被下的黄松泥土壤中甲烷氧化菌种群数量在 10 7～ 10 8cfu/ g干土之间 ,变化范围不超过 2个数量级 .水稻田土壤和水稻分蘖期土壤中的甲烷氧化菌种群数量明显高于其它植被下土壤的甲烷氧化菌种群 ,但相互之间无显著性差异 ,而它们的甲烷氧化速率却差异显著 .土壤中甲烷氧化菌种群数量对土壤氧化甲烷速率有影响但不显著 .在氧化甲烷活性很低的土样中加入外源甲烷 ,可刺激土壤中的甲烷氧化菌增殖 ,并可诱导甲烷氧化速率达到最大值 ,但不同植被的土壤达到氧化甲烷最大速率所需的诱导时间不同 .不同植被土壤间的甲烷氧化最大速率略有差异 。

含有甲烷氧化菌的混合菌群特性研究

为获得高效甲烷氧化微生物体系,从农业土壤中采样,以甲烷作为唯一碳源进行好氧选择性传代培养,得到生长性能稳定、生长优于Methylosinus trichosporium OB3b纯培养的具有甲烷单加氧酶(Methane Monooxygenase,MMO)活性甲烷氧化混合菌。利用MMO的共代谢特性,分别以苯酚和环氧丙烷作为目标对象,考察该混合菌对有机污染物的降解及用于生产有用化学物质的催化特性。结果表明,所得混合菌具有高效降解苯酚能力,对初始浓度为600mg/L的苯酚,经过11h培养,苯酚降解率可达99%。另外,以该混合菌为催化剂可以实现丙烯氧化生产环氧丙烷。通过降低磷酸盐浓度可以有效提高环氧丙烷的积累浓度,最大可至5mmol/L。此外,采用纯种分离方法结合PCR扩增、16SrRNA和MMO功能基因分析技术对混合菌群结构进行解析。结果表明,该混合菌群由Ⅱ型甲烷氧化菌及其它至少4种非甲烷氧化菌组成,它们分别属于Methylosinus trichosporium和Acinetobacter junii、Cupriavidusme tallidurans、Comamonas testosteroni和Stenotrophomonas maltophilia。采用PCR方法从混合菌及纯化菌株M.trichosporiums Y9总DNA中都能扩增得到mmoB、mmoX和pmoA基因片段,表明该甲烷氧化菌同时具有sMMO和pMMO两种形式的MMO。通过对从甲烷氧化混合菌中分离纯化得到的甲烷氧化菌进行PCR产物测序,结果发现其与Methylosinus trichosporium的同源性为99.9%。

甲烷氧化菌研究进展

甲烷氧化菌以甲烷为其唯一的碳源和能源 ,在全球大气甲烷平衡中起着重要的作用 ,它还可以降解卤代化合物 ,在污染治理方面具有潜在价值。本文从甲烷氧化菌的分类出发 ,对甲烷氧化菌氧化甲烷的机理及影响因素、甲烷氧化菌的生理、生态分布及检测方法、甲烷氧化菌降解有机污染物的潜在应用等作一综述 ,分析目前研究中存在的问题 ,并指出今后应加强研究的方面。