水稻田甲烷厌氧氧化及其对气候变化响应研究

Methane (CH4) is an important greenhouse gas, and global CH4 emissions are mainly the consequences of environmental microbial processes of production and consumption. CH4 from rice paddies contributes to a substantial portion of global atmospheric budget of 500-600 Tg CH4 year-1, but the underlying processes of microbial CH4 production and consumption in rice paddies are not well understood. Recent research has revealed that microbes in marine ecosystems potentially drive the oxidation of CH4 under anaerobic conditions. It remains unknown whether and how anaerobic oxidation of methane occurs in rice paddies. In this proposed research, we hypothesize that soil microbes regulate methane oxidation under anaerobic conditions through coupling to reductions of either nitrate, or iron oxides or manganese oxides in rice paddies. We also postulate that both elevated atmospheric CO2 and warming facilitate the processes of anaerobic oxidation of methane in rice paddies. We will combine both stable isotope labelling techniques with meta-genomics to test these hypotheses in microcosm and field experiments (the T-FACE global change research platform). We believe our research, if funded, would gain insights into carbon cycling in rice ecosystems, and provide a theoretical foundation for projections of the responses of agro-ecosystems to future climate change scenarios.

甲烷是一重要温室气体，全球每年甲烷排放的10-25%来自于水稻田生态系统。通常认为稻田甲烷排放是产甲烷菌在厌氧条件下生成与甲烷氧化菌在有氧条件下氧化甲烷的动态平衡。新近在海洋生态系统中的研究表明甲烷在厌氧条件下也可被氧化。但是，稻田甲烷在厌氧条件下能否被氧化及其可能机制目前尚不清楚。我们在前期研究和理论计算的基础上，提出如下研究假设：在厌氧微生物驱动下，稻田土壤甲烷厌氧氧化与土壤中硝、铁和锰氧化物还原反应耦合；全球变化因子大气CO2浓度升高与增温皆促进这一过程。我们将结合稳定同位素示踪与基因组学技术，通过设计一系列室内和田间实验来探究稻田土壤甲烷厌氧氧化的可能性及其机理；同时，利用水稻CO2-增温研究平台和温度梯度实验来阐明稻田土壤甲烷厌氧氧化对全球变化因子响应的可能机制。预计本项目研究结果有助于促进稻田生态系统碳循环研究，并为我国预测和应对农业生态系统对气候变化响应提供一定实践和理论依据

甲烷是一重要温室气体，稻田生态系统是重要的甲烷排放源。稻田甲烷排放是微生物介导甲烷产生与氧化之间的动态平衡，但甲烷在稻田土壤中的微生物转化机制尚不清楚。新近的水体系统研究结果表明甲烷在厌氧条件下也可被氧化，但稻田土壤中是否发生甲烷厌氧氧化以及该反应的机制依旧空白。我们的研究发现：1）不同类型的稻田土壤中广泛存在着甲烷厌氧氧化反应，且随着pH值的降低，甲烷厌氧氧化程度有所升高；2）不同类型的稻田土壤中广泛发生着微生物介导的甲烷厌氧氧化-铁锰还原耦合反应，介导该反应的微生物主要为ANMD-2d古菌以及NC10门细菌。3）大气CO2浓度升高不仅显著改变了稻田土壤中微生物群落分布，同时也促进了介导甲烷厌氧氧化-铁锰还原耦合反应微生物的生长，从而促进稻田土壤中甲烷厌氧氧化过程。受本项目资助部分研究成果以依托单位浙江大学为第一作者和通讯单位发表在国际知名专业学术期刊《ISME Journal》（2017刊出）、《Science Advances》（2020刊出）、《Science》（2018刊出）、《Mycorrhiza》（2019刊出）。其中，本项目部分主要研究成果已完成论文初稿。本项目相关研究系统阐述了稻田系统甲烷厌氧转化的机制，为我国预测和应对农业生态系统对气候变化响应提供一定实践和理论依据。