人工湿地系统中氧化亚氮依赖型甲烷厌氧氧化新路径的研究

Wetlands are the main source of methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions, which come mostly from microbial decomposition of contaminants. Anaerobic oxidation of methane (AOM) plays an important role in methane mitigation, especially the denitrification-dependent AOM. This project proposes the feasibility of a new path of N2O-dependent AOM based on the transfer barrier and thermodynamics of all intermediates during denitrification. The mechanisms of N2O-dependent AOM will be confirmed by isotope tracer technique. The microbiological mechanisms of N2O-drived AOM under different environment conditions will be investigated by combining the technologies of microbial pure culture, molecular genetics, and separation and purification of protein. To further achieve the mutual reduction of CH4 and N2O emissions, the microbial community in the constructed wetland sewage treatment system will be improved by optimizing influent characteristics, operation parameters and plant arrangement. The results will be vitally important for controlling greenhouse gas emissions and global carbon and nitrogen cycles.

湿地是温室气体甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的重要排放源，其温室气体产生途径主要为水中污染物的微生物分解过程。甲烷厌氧氧化（AOM）在湿地甲烷减排中起到重要的作用，尤其是反硝化型AOM成为近期国际研究的热点。本课题基于对反硝化路径中各中间产物的反应势垒和化学反应热力学分析，提出N2O可作为AOM电子受体的假设，并在此基础上应用同位素示踪法开展N2O依赖型的AOM新路径的研究，结合微生物纯培养、分子遗传学及蛋白质分离纯化技术，明确该路径的微生物学机制，掌握在不同环境中起作用的微生物类群；通过在人工湿地污水处理系统中优化运行工艺参数和植物配置，改善微生物群落结构和功能，构建强化N2O依赖型的AOM人工湿地系统，在有效去除水中污染物的同时，实现CH4和N2O两种温室气体的交互消减。本研究的开展将对控制温室气体排放及扩展对全球碳氮循环的认识具有重要的科学意义。

湿地是温室气体甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）的重要排放源之一，二者的升温潜势分别是二氧化碳（CO2）的25倍和310倍，对于全球气候变化产生重要影响。微生物在人工湿地CH4和N2O的产生和消减中起到主要作用。在基质厌氧区，有机物经多级发酵降解产生CH4，经好氧/厌氧氧化成CO2或直接释放。N2O是在微生物硝化、反硝化过程中产生的，也可在微生物介导下进一步还原为N2。CH4氧化耦合反硝化过程能够关联三种温室气体之间的产生与消耗，然而其微生物学机制还存在争议。反应势垒和化学反应热力学分析表明CH4和N2O的产生与释放可能存在相关关系，但目前缺乏对二者的相关性研究。本研究从三种温室气体释放的相关关系入手，探讨了人工湿地中CH4、CO2和N2O的释放规律，进而通过小试试验结合化学热力学分析，发现了CH4和N2O的同步消减作用；通过在实验室条件下微生物的长期富集培养，揭示了氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程，最终明确了氧化亚氮驱动型甲烷氧化作用的影响因素及微生物学机制，主要研究成果如下：①人工湿地中CH4的释放通量与N2O的释放呈现显著正相关关系，与CO2的释放存在显著负相关关系；②N2O能够抑制人工湿地基质中CH4的产生并促进CH4的氧化，从而实现CH4和N2O的同步消减；③提出并验证了氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程，氧化亚氮驱动型甲烷氧化是一种氧化亚氮还原耦合内部好氧的甲烷氧化过程；④明确了氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程的微生物机制为甲烷氧化菌和反硝化菌的协同作用，并阐明了其影响因素。该研究可为人工湿地中CH4和N2O的同步消减提供理论依据，对于完善全球碳氮循环具有重要意义。在该项目的资助下共发表了15篇SCI收录文章，授权发明专利2件，培养博士研究生3名，硕士研究生3名。项目负责人获国家杰出青年科学基金项目资助，获教育部高校科技进步一等奖1项（排名第1）。