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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强。甲烷是一种重要的温室气体，其温室效应是等摩尔 co₂的 2030 倍，对温室效应的贡献率占15%^[1]。大气中ch₄的主要来源是天然湿地、稻田、白蚁、反刍动物、化石燃料生产过程、垃圾处理及浅水湖沼^[2]。其中稻田是土壤中甲烷排放的重要来源之一，其排放的 ch₄约占全球ch₄排放的 20％，排放量有 20～100 tg/a ^[3]。中国的水稻种植面积约占世界稻田总面积的22%,稻田不仅是中国最主要的 ch₄排放源, 而且对全球大气中的 ch₄排放也起着重要作用^[4]。土壤中甲烷的排放不是一个单一的产生过程，它是由甲烷的产生、氧化和传输这3个过程共同决定的^[5]。其中微生物主导的厌氧甲烷氧化(anaerobic methane oxidation，amo)，在陆地淡水生态系统甲烷排放的控制中起着十分重要的作用^[6-7]。

根据电子受体的不同，稻田土壤中的amo可以分为：以硫酸盐为电子受体的 amo(sulphate-dependent anaerobic methane oxidation ，samo)；以硝酸盐和亚硝酸盐为电子受体的，硝酸盐型 amo (nitrate dependent amo，n-damo) 和亚硝酸盐型 amo (nitrite dependent amo，n-damo)，统称硝态氮型 amo (nx-damo)^[8]。从热力学角度比较，damo比samo易发生，但却很少被检测出。但由于稻田中肥料的大量施用，no₃^-(no₂^-)往往是amo过程中微生物的主要电子受体^[9]，并且稻田土壤中有机质含量高、土壤质地粘重、含氧量低，通过微生物生成的甲烷，很容易与no₃^-(no₂^-)直接接触，从而引发damo过程。针对于不同母质稻田，其养分的种类和含量均会有所不同，甲烷的生成及氧化过程也会存在不同的差异。本文就主要基于不同母质稻田的土壤理化因子，从dna水平上分析在damo过程中，相关微生物群落的变化特征。（根据结果重点介绍硝酸型和亚硝酸型）

国内外研究现状

关于厌氧甲烷氧化过程的研究是从对甲烷的产生的研究开始的，后来人们发现甲烷的产生是一个伴随着释放和分解综合作用的结果。从甲烷的生成逐步深入到甲烷的分解即甲烷的氧化。以硫酸盐为电子受体的 samo于 2003 年得到证实^[10]，现在已被证实是控制海洋ch₄排放的重要途径^[11]。2006年，raghoebarsing等首次证实了甲烷厌氧氧化可耦合亚硝酸盐的还原，该生物过程被称为亚硝酸盐型甲烷厌氧氧化，在这个过程中发现古菌和细菌都参与了反应，随后又通过实验发现参与该反应的细菌，是一种革兰氏阴性细菌，隶属于一新发现的细菌门—nc10门，被命名为candidatus methylomirabilis oxyfera（m. oxyfera）；其古菌所属归类介于甲烷丝状菌 (methanosaeta) 和 anme-ii 之间^[12-13]。2010年ettwing等通过对m. oxyfera菌进一步的研究，提出了n-damo反应的微生物机制：m. oxyfera在亚硝酸还原酶的作用下将no₂^-还原成no，然后再通过no歧化酶将生成的no歧化为n₂和o₂，生成的o₂一部分用来对ch₄进行氧化，一部分用来呼吸消耗^[14]。2012年m. oxyfera细菌在稻田土中的存在被确定^[15]。2016年陈黄曌等人深入研究了甲烷作为电子供体，no₂^- /no₃^-作为电子受体的candidatus methylomirabilis oxyfera细菌和 candidatus methanoperedens nitroreducens 古菌在damo过程的发生机理以及影响因素^[16]。近年吴讷等人通过使用长期淹水、秸秆还田 长期淹水、常规灌溉、秸秆还田 常规灌溉4 个处理，分析了不同水分管理和秸秆还田对稻田甲烷排放的影响机理。发现了长期淹水处理可以通过改变土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落结构和数量及两者数量的比例来调控甲烷的排放量^[17]。

2. 研究的基本内容

1、测定不同母质的稻田湿地土壤的甲烷氧化速率；

2、分析不同母质的稻田土壤甲烷氧化功能微生物的群落结构；

3、构建甲烷氧化速率与功能微生物群落之间的对应关系。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案:

土壤样品采集于南信大农气站稻田和长江口崇明岛围垦稻田。将样品运回实验室后，一部分冻存于-25℃冰柜中，用于土壤微生物分析；另一部分新鲜土样用于甲烷氧化速率的培养试验和测定土壤理化性质，分析测试主要参考鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》。土壤微生物分析试验中先提取总dna，再进行定量pcr扩增和高通量测序，分析微生物群落结构特征。

4. 参考文献

[1] strous m, jetten msm. anaerobic oxidation of methane and ammonium[j]. annual review of microbiology, 2004(58): 99-117

[2] haines a . climate change 2001: the scientific basis. contribution of working group 1 to the third assessment report of the intergovernmental panel on climate change [book review][j]

[3] minamikawa k,sakai n.the practical use of water management based on soil redox potential for decreasing methane emission from a paddy field[j]. japan agriculture ecosystemsenvironment, 2006,116(3-4): 181－188.