反硝化厌氧甲烷氧化古菌的太湖沉积物分布特征及环境影响机制研究

Denitrifying anaerobic methane oxidation (DAMO) process contributes significantly to reduce the methane emission from anaerobic environment to the atmosphere and thus mitigating the greenhouse effect. This process involves the participation of both DAMO archaea and DAMO bacteria. The environmental distribution and influencing factors of DAMO bacteria have been widely studied in recent years, while the function of DAMO archaea in the environment and the effects of environmental factors on it have always been overlooked. Therefore, this project chooses Taihu Lake as the key research area (it is suitable for the occurrence of DAMO process because of its high nitrogen concentration), will study the distribution characteristics of DAMO archaea in the sediment, and the contribution of nitrate-DAMO to methane and nitrogen consumptions in the lake will be calculated. Additionally, the influencing mechanisms of environmental factors on DAMO archaea distribution and activity will be studied according to the in situ environmental evaluation results, using a microbial fuel cell system; the response of DAMO archara to different environmental parameters will be discussed; the distribution of DAMO archaea in other ecological environments and its contribution to global carbon/nitrogen cycles will be predicted. The implementation of this project will help perfect the distribution picture of DAMO archaea in the natural environment, improve our understanding of its environmental function, and also provide scientific basis for nitrogen pollution treatment in Taihu Lake.

反硝化厌氧甲烷氧化（DAMO）过程对于减少厌氧环境中甲烷排放、抑制温室效应具有重要贡献。该过程涉及DAMO古菌和DAMO细菌的参与。DAMO细菌的环境分布及活性影响因素已经被充分研究，而DAMO古菌的环境功能及环境影响机制却一直被大家所忽视。因此，本项目拟以DAMO古菌为主要研究对象，以太湖（氮含量超标，适合DAMO过程的发生）为代表性研究区域，调研DAMO古菌在太湖底泥沉积物中的分布特征，分析硝酸盐-DAMO过程对该湖泊环境中甲烷消耗及氮去除的贡献。并参照原位环境调研结果，在实验室内借助微生物燃料电池体系研究环境因子对DAMO古菌活性及分布的影响机制，探讨DAMO古菌对不同环境参数的响应机理，预测其在其它生态环境中的分布以及对地球碳氮循环的贡献。该项目可以完善DAMO古菌的环境分布数据，帮助我们更系统地认识DAMO古菌的环境功能意义，同时也为太湖氮污染治理工作提供一定的科学依据。

本项目以太湖为代表性研究区域，探究沉积物环境中DAMO微生物的分布特征，并分析不同采样点的环境参数差异对菌群结构的影响。在此基础上，在实验室内进一步探究环境参数对DAMO微生物富集及体系内微生物菌群间作用关系的影响。研究结果如下：.（1）DAMO细菌和DAMO古菌在太湖沉积物中具有不同的生存策略。网络结构相对稳定的轻度富营养湖区为DAMO细菌提供了最适生态位，而DAMO古菌更适合在中度富营养化湖区生存。同时，DAMO微生物受Rhodocyclaceae和Anammox细菌的拮抗作用较强。亚硝酸盐、氨氮、TOC含量会较大影响DAMO细菌的环境分布。.（2）基于NCBI数据库中DAMO细菌16s rRNA和pmoA基因序列的生物信息学分析结果显示，DAMO细菌主要分布在深水湖泊、适宜的稻田土壤以及部分咸淡水交界环境，能够同时在不同生态环境中生存的DAMO细菌较少。16s rRNA基因比pmoA基因表现出更高的多样性。.（3）生物炭和适量乙酸钠都能加快DAMO微生物的富集。在本研究中，生物炭效果最优，0.1 mmol/L 乙酸钠的作用要优于0.5 mmol/L；0.5 mmol/L乙酸钠对微生物群落影响最为显著。.（4）在本研究设定的各参数范围内，DAMO微生物在35 ℃、2 µmol/L Ni(II)、12 µmol/L Fe(II)、98 kPa的甲烷分压时，生长活性最高。.（5）DAMO古菌在实验期内并不具有厌氧乙烷氧化能力，即DAMO古菌体内未进化/适应的、原始的MCR酶并不能催化其他气态烷烃的氧化过程。.研究结果拓展了DAMO微生物的环境分布及环境功能数据，并对DAMO微生物的生理特性及其在生态环境中的分布和地球碳氮循环中的贡献提供了直接数据。