冷泉碳酸盐岩有机碳、氮同位素的耦合及其对甲烷厌氧氧化过程的指示

驱动甲烷厌氧氧化(AOM)过程的微生物不仅能同化吸收甲烷等碳氢化合物作为碳源,同时也能进行氮素的同化吸收,从而导致这些微生物的生物体出现显著的^(13)C、^(15)N亏损。目前还缺乏来自冷泉环境有机氮δ^(15)N数据来直接证实AOM参与氮的循环过程。本研究分析了来自墨西哥湾海底5个冷泉站位的自生碳酸盐岩的总氮(TN)、总无机氮(TIN)和总有机氮(TON)的含量及其δ^(15)N值,并结合前人获得的总无机碳和总有机碳含量和δ^(13)C数据进行研究,结果发现总氮的δ^(15)N与总有机碳的δ^(13)C只在部分站位表现出正相关性。然而,在排除无机氮的干扰后,总有机氮的δ^(15)N与总有机碳的δ^(13)C在所有站位均表现出正相关性。表明这种有机碳、氮同位素上的耦合与甲烷的活动密切相关,有望作为有效示踪过去海底甲烷渗漏及AOM作用的指标。

页岩气返排水中的反硝化厌氧甲烷氧化微生物——群落结构与关键影响因子

首次探究了高温高压高盐的页岩气返排水中DAMO(denitrifying anaerobic methane oxidation)微生物存在的证据及其与关键环境因子之间的关联性.结果表明,在所研究的7个页岩气井场返排水中均检测到了DAMO古菌与细菌的存在,且古菌的丰度远高于细菌,其16S rRNA基因拷贝数分别为4.32×10^(4)~5.83×10^(5)copies/L和1.16×10^(3)~6.00×10^(3)copies/L.DAMO古菌与细菌的功能基因mcrA与pomA同样在所有的样品中检出.页岩气返排水中共发现了4个DAMO细菌代表性OTU与1个DAMO古菌代表性OTU,虽然返排水中盐度很高,但检出的DAMO细菌与古菌与已报道的淡水环境中的DAMO微生物亲缘性更近.RDA相关性分析表明,返排水常规理化因子对DAMO微生物的影响并非体现在微生物的丰度上,而是体现在微生物的功能上,其中pmoA基因丰度与TOC含量呈正显著相关,而mcrA基因丰度则与NO_(3)^(-)、NH_(4)^(+)、PO_(4)^(3-)和Cl^(-)浓度呈正相关,Cl^(-)影响最大.研究结果拓展了关于DAMO微生物环境分布的认识,可为缓解返排水中逸散甲烷所导致的温室效应的控制提供理论基础,也有助于加深对深部页岩微生物过程的认知.

利用污泥厌氧化生产的甲烷作为碳源实现垃圾渗滤液脱氮的厌氧菌筛选研究

垃圾渗滤液作为一种典型的含高氨氮高有机物的污水,其总氮浓度排放要求严格,而传统的异养反硝化需要额外的有机碳,并且会导致二次污染及更多CO_(2)的排放。反硝化厌氧甲烷氧化(DAMO)是一种利用甲烷(CH_(4))作为电子供体和碳源进行反硝化的过程,而厌氧消化可以利用污泥中的有机物作为发酵底物,在厌氧条件下生产CH_(4),同时将DAMO与厌氧氨氧化(Anammox)相结合实现垃圾渗滤液的深度和完全脱氮,是一种经济的解决方案。基于此背景,本论文筛选了市面上几种厌氧菌用于污泥产甲烷,从而为后续的深度脱氮实验提供合适的厌氧菌。通过对比后,筛选碧莱清高级厌氧菌CJW388品类作为市售高级厌氧菌剂代表,并以该厌氧菌为添加剂,研究了不同底物种类、底物浓度以及接种比例的条件影响。实验结果发现,在高浓度COD(5000 mg/L)情况下,添加市售菌剂对于乙酸钠和丙酸钠基质产甲烷的提升量和比例基本一致;在低浓度COD(1500 mg/L)进料情况下,添加市售菌剂对于乙酸钠基质产甲烷的提升量和比例远高于丙酸钠基质。

水稻田土壤甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率

对黄松土水田土壤中＞0.02mm的颗粒和＜0.02mm的颗粒按不同比例组合成的土壤、不同绝对含水量的黄松土水田土壤、不同温育时段的水田土壤和长期定位不同施肥的水稻田土壤中的甲烷好氧氧化和厌氧氧化的速率的检测结果进行比较,结果相当一致,不仅证实了水稻田土壤甲烷厌氧氧化过程的存在,而且表明水田土壤中的甲烷厌氧氧化活性远较甲烷好氧氧化活性要低,如以两者的氧化活性作为对甲烷氧化的贡献来计,则甲烷厌氧氧化的贡献率一般都在整个甲烷氧化的10%以下.但在水田土壤被水淹没的情形下,由于土壤厌氧条件的形成和甲烷扩散受阻,甲烷厌氧氧化的速率明显超过好氧氧化的速率,甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率可到达30%以上.长期施肥对于水稻田土壤的甲烷好氧氧化活性和甲烷排放通量影响显著,而对甲烷的厌氧氧化活性有影响但未达到显著水平.长期施肥处理的土壤中甲烷好氧氧化活性在(9.072～41.088)×10-6mol·(d·g)-1之间,而甲烷厌氧氧化活性仅在(0.325～0.671)×10-6 mol·(d·g)-1之间,仅及甲烷好氧氧化活性的1.31%～4.43%,占整个甲烷氧化的1.3%～4.14%.

南海东北部硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面——海底强烈甲烷渗溢的记录

南海东北部沉积物顶空气甲烷含量较高,海底存在明显的甲烷渗溢现象。该海域6个沉积物岩心的孔隙水硫酸盐浓度和顶空气甲烷含量随深度变化而变化,出现明显的硫酸盐-甲烷互相消耗区域,硫酸盐和甲烷浓度均急剧下降。HD109、HD170、HD196A、HD200、HD319和GC10等6个岩心的硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面(SMI)分别位于704、911、728、636、888、792cm处,完全落入全球水合物区富甲烷环境的SMI深度范围之内。强烈的甲烷渗溢过程使得硫酸盐-甲烷互相消耗作用加剧,并形成浅的SMI。浅的SMI显示了东北部存在强烈的甲烷渗溢活动以及强烈的甲烷厌氧氧化作用,具有天然气水合物成藏的典型特征。

湿地甲烷厌氧氧化的重要性和机制综述

介绍以甲烷氧化为主线的湿地甲烷减排机制,具体包括甲烷有氧氧化和厌氧氧化两种,甲烷有氧氧化主要发生在湿地水土界面有氧层和植物根系泌氧区,相关研究较为深入.系统梳理湿地甲烷厌氧氧化(AOM)的3种主要反应机制的研究进展,发现厌氧氧化中对硫酸盐还原型和反硝化型甲烷厌氧氧化的研究较为深入,而对以铁锰氧化物作为电子受体的甲烷厌氧氧化机制的研究则相对较少,尚处于起步阶段.最新研究发现微生物通过种间直接电子转移影响甲烷厌氧氧化进程.明晰湿地甲烷排放及其厌氧氧化机制,可为湿地甲烷的氧化研究提供理论依据,并为湿地甲烷的减排技术提供新的思路.

反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥脱氮效能

采用改进的升流式厌氧污泥床(UASB)反应器,在温度为30℃条件下,逐渐缩短HRT(水力停留时间)由9.6 d到0.9 d,经过160 d运行,成功培养出反硝化厌氧甲烷氧化与厌氧氨氧化耦合颗粒污泥,采用荧光原位杂交(FISH)分析、16S rRNA分析等方法研究颗粒结构和微生物组成特征。结果表明耦合颗粒污泥的氨氮和亚硝酸盐的脱除速率分别为588.9和523 mg·L^(-1)·d^(-1),反硝化厌氧甲烷氧化活性达95.2 mg·L^(-1)·d^(-1),出水硝酸盐质量浓度小于40 mg·L^(-1),总氮去除率达92.5%;耦合颗粒污泥平均粒径为0.76 mm,与接种厌氧氨氧化颗粒污泥相比增加了1.46倍;反硝化厌氧甲烷氧化微生物主要位于耦合颗粒污泥外层,厌氧氨氧化菌位于耦合颗粒污泥内部;主要的厌氧氨氧化菌为Candidatus Brocadia,主要的反硝化厌氧甲烷氧化细菌为Candidatus Methylomirabilis,反硝化厌氧甲烷氧化古菌为Candidatus Methanoperedens。

浑河底泥反硝化厌氧甲烷氧化菌群落结构时空特征

为了解在反硝化厌氧甲烷氧化反应过程中起主要作用的微生物——Candidatus Methylomirabilis oxyfera（M.oxyfera）在河流底泥环境中的时空变化特征,利用克隆文库及实时荧光定量PCR技术考察了浑河流域部分底泥中M.oxyfera-like的16S rRNA和pmo A功能基因的多样性及丰度.结果表明：从浑河上游至下游丰水期各采样点底泥中M.oxyfera-like的16S rRNA的多样性无明显地域性差异,其OTU（operational taxonomic unit,独立操作单元）数变幅不大;pmo A功能基因的多样性则存在较为明显的地域性差异,上游采样点A（章党大桥）底泥中OTU数为5,下游采样点E（三岔河大桥）底泥中仅为1.采样点A底泥中M.oxyferalike的16S rRNA和pmo A功能基因的多样性均存在一定的季节性差异,平水期16S rRNA和pmo A功能基因的Shannon-Wiener多样性指数分别为1.48和2.19,在各期中最高;而枯水期时二者均最低,分别为0.83和1.26.丰度分析结果显示,所有采样点底泥中M.oxyfera-like的16S rRNA丰度均表现为平水期（2.42×106~1.74×107copies/g）（以干质量计）最高、枯水期（2.87×10^4~4.19×10^6copies/g）居中、丰水期（1.29×103~2.04×10^4copies/g）最低,说明浑河底泥中M.oxyfera-like的丰度亦存在一定的季节性差异.

甲烷厌氧氧化微生物的研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,其对全球气候变暖的贡献率约占20%。微生物进行的甲烷厌氧氧化(Anaerobic oxidation of methane,AOM)是减少自然环境中该温室气体排放的重要生物途径。根据耦联反应的不同,可将AOM分为两类,即硫酸盐还原型甲烷厌氧氧化(Sulphate-dependent anaerobic methane oxida-tion,SAMO)和反硝化型甲烷厌氧氧化(Denitrification-dependent anaerobic methane oxidation,DAMO),前者以SO42-作为AOM的最终电子受体,后者以NO2-/NO3-作为AOM的最终电子受体。深入了解这两种类型AOM的发生机理,有助于更好地理解该生物过程的重要性,为AOM工艺的开发提供理论依据。鉴此,本文简要介绍了不同类型的AOM及其参与的微生物,着重阐述了其发生机理,并探讨了AOM未来的研究方向与应用前景。

华北地台串岭沟组砂脉中自生碳酸盐沉淀和自生黄铁矿——中元古代甲烷厌氧氧化的沉积证据

华北中元古界串岭沟组暗色页岩中普遍发育的砂脉构造被解释为气体逃逸形成的沉积构造。在砂脉和相邻围岩中发现有自生碳酸盐沉淀和自生黄铁矿。自生碳酸盐主要由白云石组成,表现为微晶质条带或隐晶质斑块状胶结物。微晶白云石条带多出现在有机质纹层密集发育的部位,沿微生物膜两侧发育;而隐晶质斑块多以胶结物形式充填粒间孔隙或沿砂脉外缘密集产出。围岩中共生草莓状黄铁矿,砂脉中有具环带黄铁矿。这种特殊的矿物组构以及富有机质沉积和丰富的微生物成因构造(MISS)均表明串岭沟组形成于缺氧环境。层面发育的气泡构造为砂脉的气体逃逸成因提供了支持,而自生碳酸盐和黄铁矿则是沉积浅层硫酸盐—甲烷转换带(SMTZ)甲烷厌氧氧化(AOM)和细菌硫酸盐还原(BSR)的产物;气体源于有机质的厌氧分解和甲烷菌活动。砂脉中发现有疑似微生物化石,围岩含古菌和硫细菌生物标志物,表明有发生AOM和BSR作用的条件。串岭沟组砂脉中识别的自生碳酸盐沉淀及其AOM成因对进一步认识中元古代古海洋与古气候条件具有重要意义。由于海洋的低硫酸盐浓度,SMTZ带很浅,海底沉积层的甲烷仅少量被AOM消耗;而大量甲烷进入大气必然导致中元古代强烈的温室气候效应。

微生物诱导下甲烷厌氧氧化及碳酸盐矿物生成实验

从淤泥样品中,培育甲烷氧化菌并对其进行DNA测序;进而在自行研制的反应系统中开展甲烷氧化菌-水-岩石相互作用实验,检测微生物的数量和HCO_3^-质量浓度的变化,最后对岩石样品进行扫描电镜分析。研究结果表明:所培养的淡水甲烷氧化菌为假单胞菌属;微生物注入反应器后有HCO_3^-的生成,HCO_3^-质量浓度变化与微生物数量和活性有关;石英砂表面生成无定形铁白云石、亮白色菱柱状碳酸盐和长石类矿物的中间产物。

珠江口桂山岛沉积物甲烷厌氧氧化作用研究

系统分析了珠江口桂山岛沉积物间隙水甲烷和硫酸盐、pH和溶解无机碳(DIC)以及δ13C-CH4和δ13C-DIC的垂直剖面分布.结果显示:间隙水硫酸盐浓度呈线性梯度减小,至沉积物SMI(sulfate-methane interface)附近,硫酸盐几乎全部消耗而甲烷浓度急剧增大,与此同时,间隙水pH和DIC在该深度位置明显升高.间隙水地球化学特征揭示了沉积物发生了甲烷厌氧氧化(AOM)作用.在AOM过程中,由于12CH4氧化速率较13CH4快,故引起沉积物间隙水剩余甲烷的碳同位素偏重,而δ13C-DIC值变为极负.由扩散公式计算结果可知,AOM消耗沉积物间隙水硫酸盐占总硫酸盐的比例为58.6%,该过程产生的DIC占间隙水总DIC的比例为41.4%.沉积物有机质的活性及含量大小对AOM作用的发生及其强度有重要的影响,该研究区沉积物活性有机质(主要为海洋来源)在沉积物表层通过矿化分解作用消耗,从而导致进入沉积物硫酸盐还原带底部的活性有机质数量减少,在该条件下,部分硫酸盐将转为与甲烷反应消耗,从而引发AOM.

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化过程与应用研究进展

亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐为电子受体将甲烷厌氧氧化为二氧化碳的微生物生化反应过程。此反应是偶联碳氮循环的关键环节,是微生物碳氮循环的新内容,它的发现对于全球的碳氮物质循环具有重要贡献。基于此,文章概述了N-DAMO过程的生化反应机理;总结了N-DAMO菌富集培养过程中的活性影响因素:NO2^--N浓度为2.40 mmol·L^-1时N-DAMO菌的反硝化活性最大,CH4分压为49 kPa可基本满足N-DAMO菌对CH4的需求量,N-DAMO菌最适pH值为7.6左右,最适温度为35℃左右,N-DAMO菌能够适应一定含量的盐度;浅析了N-DAMO过程在海洋、淡水及其湿地等不同生境中的分布特点;在此基础上,探讨了Anammox与N-DAMO的耦合反应机理在污水处理脱氮工艺中的应用,该工艺能够节约大量物质能源、减少经济成本和提高脱氮效率,具有巨大的潜在应用前景。

淡水生态系统中反硝化型厌氧甲烷氧化微生物的研究进展

反硝化型厌氧甲烷氧化(DAMO)是在淡水生态系统中发现的一种全新的厌氧甲烷氧化途径,偶联了全球碳循环和氮循环,与NC10门细菌、DAMO古菌及厌氧氨氧化菌密切相关。首先介绍DAMO途径在淡水生态系统中的发现及其功能微生物。其次,重点阐述DAMO功能微生物在湖泊、湿地和河流等淡水环境中的研究进展,并对聚合酶链式反应(PCR)、荧光原位杂交(FISH)及高通量测序技术在DAMO功能微生物检测中的应用及发展进行总结与分析。最后,展望DAMO在淡水生态系统中的研究前景。

九龙江河口沉积物中硫酸盐还原与甲烷厌氧氧化:同位素地球化学证据

通过沉积物柱孔隙水中甲烷,SO42-,Cl-,δc(34S-SO42-)、δc(13C-CH4)的垂直分布特征,研究了硫酸盐还原和甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,简称AOM)过程在九龙江河口沉积物中的分布规律。测定结果显示两个站位(J-A和J-E)间隙水中SO42-浓度随深度增加快速减小,分别在55和130 cm深度附近消耗殆尽,而惰性的Cl-浓度随深度没有减小的趋势;孔隙水中硫酸盐的硫同位素组成随着深度增加明显偏重。这些结果表明两个站位沉积物上部(55和130 cm)存在明显的硫酸盐还原作用。孔隙水中甲烷浓度在硫酸盐-甲烷过渡带(sulfate-methane transition,简称SMT)随着深度减小急剧增大,与此同时甲烷碳同位素组成也相应偏重,表明两个站位沉积物下部产生的大量甲烷在SMT附近被AOM消耗。沉积物中SMT分布深度与上覆水盐度存在明显的正相关,反映了研究区上覆水盐度变化所导致的硫酸盐浓度改变是控制九龙江河口沉积物中SMT深度的关键因素。

甲烷厌氧氧化技术研究进展

甲烷是一种重要的温室气体,甲烷厌氧氧化可有效地减少甲烷排放量,减缓因温室效应而带来的全球气候变暖。本文在阐述甲烷厌氧氧化反应机理、甲烷厌氧氧化菌的分离鉴定及其研究现状的基础上,分析了目前研究中存在的一些问题,并提出了今后的研究方向。

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化微生物生态学研究进展

亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化(nitrite-dependent anaerobic methane oxidation,N-DAMO)是指以亚硝酸盐为电子受体将甲烷氧化为二氧化碳的微生物生理过程。虽然目前人们对于N-DAMO的研究主要集中于人工环境,但不断有证据表明N-DAMO菌广泛分布于不同类型生境(如河流、湖泊、湿地和海洋等)中,且在部分生境中已被证实N-DAMO反应的发生。这表明N-DAMO是一种被忽视的甲烷汇,其在全球温室气体减排中可能起着重要作用。本文介绍了N-DAMO菌的分类和生化反应机理,总结了N-DAMO菌在不同自然生态系统中的分布特征与作用强度,浅析了影响N-DAMO菌在自然生态系统中分布和发挥作用的主要环境因子,并探讨了N-DAMO反应作为一种被忽视的甲烷汇在控制温室气体排放中的贡献。

天然气水合物的上界面——硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面

定义了海域天然气水合物成矿带的上界面。指出在地球深部存在最原始的、从根本上不依靠光合作用来生存的生命系统。根据对ODP岩心样品中微生物数量的统计,海底以下沉积层中的生物数量可能占据全球原核生物总量的70%,其生物总碳量和地球表面所有植物的碳总量相当。地球内部如此巨大的生物总量应该在地壳中的气体分布等方面起着重要作用。甲烷在地壳层中广泛存在,并主要是微生物成因的。微生物产甲烷的途径主要有两个,一是二氧化碳还原,另一个是醋酸盐发酵。相应地,参与产甲烷的微生物菌群主要是产甲烷菌和食醋酸菌。甲烷在沉积层中的厌氧氧化是一个不争的事实。该过程发生在海底以下一个非常局限的区带,称为硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化区带。通常,这个区带很窄,仅为一个面,因此,硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化区带又称硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面。这是一个基本的生物地球化学界面,在功能上它起到屏蔽甲烷向海底和大气逸散的作用,是一个巨大的甲烷汇。甲烷的厌氧氧化同样是一个由微生物介导的过程,参与此过程的微生物主要是食甲烷古菌和硫酸盐还原菌。硫酸盐还原-甲烷厌氧氧化界面在海洋沉积层中一般深可达海底以下上百米,浅可至海底。此界面为天然气水合物的上界面,该界面以上没有甲烷水合物存在。

内陆湿地与水体甲烷厌氧氧化功能微生物研究进展

内陆湿地与水体(如湖泊、河流、水库等)是温室气体甲烷的重要排放源。微生物介导的甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)反应在控制内陆湿地与水体甲烷排放中起着不可忽视的作用,对缓解全球温室效应具有重要意义。内陆湿地与水体易形成缺氧环境,且电子受体的种类和数量繁多,是发生AOM反应的理想生境。近年来,不断有研究表明,内陆湿地与水体中存在多种电子受体(NO^(-)_(2)、NO^(-)_(3)、SO^(2-)_(4)、Fe(Ⅲ)等)驱动的AOM途径。NC10门细菌和甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)的一新分支ANME^(-)_(2)d主导了湿地和水体环境中的AOM反应,其中ANME^(-)_(2)d具有根据环境条件选择不同电子受体的潜力。研究系统综述了内陆湿地与水体中不同电子受体驱动的AOM途径及其参与的主要功能微生物类群;分析了AOM反应在控制温室气体甲烷排放中的作用及其环境影响因素;总结了相关功能微生物的分子生物学检测方法及甲烷厌氧氧化活性测定的同位素示踪技术。最后,对未来相关研究方向进行了展望。

垃圾填埋场甲烷厌氧氧化作用研究进展

垃圾填埋场是温室气体甲烷的重要人为排放源之一,垃圾分解产生的甲烷会发生垂向和侧向迁移,并被氧化固定在垃圾填埋场中。研究显示与硫酸盐还原作用耦合的甲烷厌氧氧化(AOM)作用在垃圾填埋场内及其渗滤液羽状体中均可发生,形成自生碳酸盐和硫化物等沉积。因此,AOM作用是垃圾填埋场甲烷减排的重要途径之一。然而只运用气体地球化学方法与技术难以确定填埋场AOM作用的特征,而填埋场内自生碳酸盐可能保存了AOM作用的信息,但其矿物学、地球化学等特征很少有报导,还有待进一步研究确定。