典型沉水植物对淡水湿地甲烷产生、氧化及释放通量的调控机理

Wetland is the biggest natural emmision source of greenhouse gas methane. Submerged plants play an important role in wetlands and have a great influence on methane emmision. At present, more attention is paid to the methane emission flux and the influence of the emergent plants, however, little is known about the impacts of submerged plants on methane emmision in wetlands. .In previous research, our team found a number of large methanotrophic bacteria in biofilms attached to the surface of submerged plants. On the basis of the preliminary work, the project will further study the morphological characteristics of root, stem and leaf of submerged plants and the effect of photosynthesis on methane emmision flux in wetland by means of technologies including electron microscope, X-ray Computerized Tomography Scan, isotope tracer, molecular biology et al, aims to explore the presence and abundance of methane metabolism-related microorganisms in plant-biofilm system and and rhizosphere sediments, to analyze the changes of the structure and function of methane metabolism-related microorganisms in wetland under various conditions, and to elucidate the mechanism of the influence of typical submerged plants on methane production, oxidation and release fluxes. Investigations on the biological mechanism of submerged plants on methane emission at microscopic scale flux will help us to enrich ecological restoration theory, improve the ecological restoration and reduce the greenhouse gas emission in practice.

湿地是温室气体甲烷的最大天然排放源。沉水植物长在水面以下，是湿地系统的重要组成部分，对甲烷释放具有较大影响。当前较多关注湿地甲烷排放通量以及挺水植物对其影响，而关于沉水植物对湿地甲烷释放通量的影响机制认识不足。.申请人前期发现沉水植物表面附着的生物膜中部分细菌可能与甲烷氧化有关。在此基础上，项目拟通过野外调研和室内模拟实验，借助电镜、CT扫描、同位素示踪及分子生物学等手段，研究沉水植物根、茎和叶片的形态结构及光合作用对湿地甲烷气体释放通量的影响，探明沉水植物体内、表面生物膜及根际沉积物中甲烷代谢相关微生物群落结构与丰度特征，剖析多种条件下沉水植物区甲烷代谢相关微生物的结构与功能的变化规律，揭示典型沉水植物对湿地甲烷产生、氧化及释放通量的影响机制。从微观尺度上揭示沉水植物对甲烷气体释放相关的生物学机理，为丰富水生态修复理论、以及从宏观角度上提高淡水生态系统修复效果和降低温室气体排放服务。

湿地甲烷释放是全球最大自然释放源，约占自然排放和人类活动导致排放的三分之一。甲烷是二氧化碳之后的第二大重要温室气体；最近十年来，大气甲烷含量增速加剧，引起了全球的重视。系统研究湿地甲烷的产生和释放过程,以及湿地植被对其影响机制，有利于通过生态调控措施促进碳汇、是降低温室气体排放的重要理论基础。本项目首先调研了太湖流域典型挺水、浮叶和沉水植物种植对湿地甲烷释放通量的影响，分析了植物形态和生理活性与沉积物甲烷分布、水体甲烷含量及释放间的潜在关系，以及不同组织器官对甲烷的氧化效果；其次，深入研究了典型沉水植物对不同介质中甲烷代谢结构与丰度的影响机制；最后，通过构建多种场景下沉水植物对甲烷代谢相关微生物群落结构与功能的影响，初步探明了沉水植物对湿地系统甲烷释放的影响机制。主要结果与结论如下：①挺水植物对甲烷释放有促进作用，而浮叶植物与沉水植物对甲烷释放有抑制效果，这些与根系在沉积物内的分布及通气组织有关；②植物组织器官对甲烷的氧化能力与好氧甲烷氧化菌有密切关系；③沉水植物对甲烷的氧化效果及甲烷释放影响与其生理活性有很大关系，而与叶片形态关系不显著；④水体营养物质浓度、污染物质类型及水体理化指标等均会影响沉水植物对甲烷释放的抑制效果，沉水植物生理活性对微生物群落和甲烷排放有较为显著的影响；⑤高浓度的碳氮磷会提高pmoA基因的相对丰度、促进水体甲烷释放，温度变化是影响系统甲烷释放的主要环境因子，氨氮是引起植物表面附着细菌群落结构变化的主要驱动因子而水体内COD和电导率是影响好氧甲烷氧化菌群落结构的重要环境因子；⑥沉水植物根系能够降低沉积物内甲烷的产生、并对甲烷浓度的垂直分布有较大影响；沉积物中ORP值越高，甲烷含量越低，而总有机质含量和温度与甲烷含量呈显著正相关。这些结果为利用生态湿地降低甲烷排放，提高了重要理论基础，为我国水生态文明建设的同时实现双碳目标提供了潜在技术指导。