農(nóng)田溫室氣體CH4產(chǎn)生的微生物生態(tài)學(xué)機(jī)理研究進(jìn)展.ppt

1、a,1,農(nóng)田溫室氣體CH4產(chǎn)生的微生物生態(tài)學(xué)機(jī)理研究進(jìn)展,吳洪生 南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院 ,a,2,1.溫室氣體甲烷概況 2.農(nóng)田溫室氣體甲烷的來源 3.農(nóng)田產(chǎn)甲烷微生物 4.環(huán)境條件與農(nóng)田甲烷的產(chǎn)生 5.不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌生態(tài)互作關(guān)系,a,3,甲烷是地球上主要的溫室氣體，對(duì)全球氣候變暖的增溫作用大約占15%，其相對(duì)二氧化碳的增溫效應(yīng)值為19。 1776年，A.伏打發(fā)現(xiàn)池沼沉積物中有一種可燃性氣體，沼氣。 1868年，E.貝香提出沼氣是由微生物降解有機(jī)質(zhì)而產(chǎn)生的,a,4,太空望遠(yuǎn)鏡上拍攝火星甲烷 -黃（紅）色部分是甲烷,a,5,衛(wèi)星上拍攝地球甲烷 -棕色部分是甲烷,a,6,農(nóng)田溫室氣

2、體甲烷的來源: 1.土壤腐殖質(zhì)的分解 -5-8% 2.土壤有機(jī)殘?bào)w分解 -40-70% 3.有機(jī)肥分解 -20-40% 4.其它人工合成有機(jī)物 -10-15,a,7,與農(nóng)田甲烷形成有關(guān)的微生物1.先導(dǎo)生態(tài)菌群2.產(chǎn)酸產(chǎn)氫微生物（菌群） 3.產(chǎn)甲烷細(xì)菌（菌群,a,8,1.甲烷細(xì)菌（菌群,a,9,a,10,甲烷細(xì)菌是專性厭氧的，屬于古細(xì)菌，對(duì)溫度、pH值、微量氧、有毒物質(zhì)等敏感。最適宜溫度35C-38C，4 C也能生存，甲烷細(xì)菌要求的pH值在6.8-7.2之間。 是一群非常特殊的微生物。只能利用比較簡單的有機(jī)化合物和無機(jī)化合物，而且生長緩慢。為化能自養(yǎng)型，存在對(duì)氧極為敏感的F420因子，即使存在微

3、量的氧都會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌造成不利影響,a,11,所有產(chǎn)甲烷菌都能利用氫氣和二氧化碳，代謝產(chǎn)生甲烷，其中絕大多數(shù)還能利用甲酸和乙酸。乙酸是產(chǎn)甲烷的關(guān)鍵性物質(zhì)，大約72%的甲烷來自于乙酸。 產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖相當(dāng)緩慢。甲烷菌的繁殖倍增時(shí)間一般都比較長，達(dá)46天。在人工培養(yǎng)條件下需經(jīng)過十幾天甚至幾十天才能長出菌落。 菌落一般圓形、透明、邊緣整齊，在熒光顯微鏡下發(fā)出強(qiáng)的熒光,a,12,在厭氧條件下以甲烷為特異代謝產(chǎn)物。1956年，H.A.巴克打破按形態(tài)差異將產(chǎn)甲烷細(xì)菌分散在不同科屬中的分類系統(tǒng)，把具有上述特性的多種形態(tài)的細(xì)菌劃歸為一個(gè)生理群，建立甲烷細(xì)菌科。伯杰氏鑒定細(xì)菌學(xué)手冊(cè)(第 8版)基本上采納了巴克

4、的系統(tǒng)。70年代后期和80年代初，G.E.福克斯、W.E.巴爾赫和C.R.沃斯等人發(fā)表比較產(chǎn)甲烷細(xì)菌和其他細(xì)菌以及某些真核,a,13,生物的16S（或18S）核糖體核糖核酸(rRNA)寡聚核苷酸序列譜的相似性的研究成果，指出產(chǎn)甲烷菌是一群獨(dú)特的產(chǎn)物，與其他細(xì)菌和真核生物顯然不同。他們主張把產(chǎn)甲烷細(xì)菌歸屬于古細(xì)菌，與其他細(xì)菌（真細(xì)菌）和真核生物并列為生物的3大類群。 W.E.巴爾赫還提出了產(chǎn)甲烷細(xì)菌的分類系統(tǒng)，其中包括甲烷桿菌目、甲烷球菌目和甲烷微菌目 3目，甲烷桿菌科、甲烷球菌科、甲烷微菌科和甲烷片菌科4科。 產(chǎn)甲烷細(xì)菌的特性為：代謝產(chǎn)物為甲烷和二氧化碳；產(chǎn)能機(jī)質(zhì)范圍窄，為氫、甲酸、甲醇、乙酸

5、、甲胺類；需要低的氧化還原電位（-330毫伏）；有獨(dú)特的輔酶，輔酶及生長因子為輔酶M.F420、F430、COM、F342,B因子.CDR,a,14,F430等； 有獨(dú)特16SrRNA寡聚核苷酸序列譜； tRNA中缺乏其他生物所共有GTCG核苷酸序列；細(xì)胞壁中沒有其他細(xì)菌細(xì)胞壁中所共有的胞壁酸和 D型氨基酸；所含類酯大部分不可皂化為含植烷醚鍵、鯊烯、氫沙烯； DNA的分子量可能為大腸桿菌的1/3(1.1109)。 目前總共分離、鑒定出237株產(chǎn)甲烷菌,a,15,農(nóng)田土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌群落分子生態(tài)分析,DGGE, TGGE, RFLP, t-RFLP, SSCP,Cloning,Sequencing

6、,Identification,Phylogenetic analysis,Fingerprinting,a,16,土壤產(chǎn)甲烷細(xì)菌群落系統(tǒng)進(jìn)化樹,a,17,a,18,a,19,產(chǎn)酸產(chǎn)氫微生物（菌群） 醋酸桿菌、丁酸梭菌、乳酸菌、乳酸桿菌、擬桿菌屬、氣桿菌屬、發(fā)酵單胞菌屬、梭狀芽孢桿菌屬、紅螺菌屬、酵母菌、絲狀酵母、光合細(xì)菌、互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬、莢硫菌屬、紅微菌屬、外硫紅螺菌屬、紅假單胞菌屬、藍(lán)細(xì)菌類硫螺菌屬、板硫菌屬、梭桿菌屬、閃囊菌屬、網(wǎng)硫菌屬、埃希氏菌屬 先導(dǎo)生態(tài)菌群（伴生菌） 細(xì)菌：梭狀芽孢桿菌、乳酸桿菌，革蘭氏陽性小球菌，丁酸梭菌和其它梭菌、纖維素分解菌、硫酸鹽

7、還原細(xì)菌、硝酸鹽還原細(xì)菌、產(chǎn)氨細(xì)菌、產(chǎn)氫細(xì)菌、產(chǎn)乙酸細(xì)菌,a,20,真菌：白腐菌、曲霉屬、青霉、嗜熱真菌屬、根霉、擔(dān)子菌屬、腐霉屬、酵母菌、絲狀真菌、假絲酵母屬、子囊菌屬、裂殖酵母菌屬、球擬酵母屬、酒香酵母屬、畢赤氏酵母屬、漢遜氏酵母屬、克魯弗氏酵母屬、隱球酵母屬、德巴利氏酵母屬、卵孢酵母屬 放線菌：嗜熱褐色放線菌、普通小單胞菌 、諾卡氏菌屬、小諾卡氏菌屬、鏈霉菌屬,a,21,a,22,a,23,底物： 1.與農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)（物）結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)； 2.與有機(jī)物新鮮性有關(guān)； 3.與土壤含水量有關(guān)； 4.與土壤肥力有關(guān),a,24,在甲烷產(chǎn)生過程中，存在著一個(gè)種群眾多、關(guān)系復(fù)雜的微生物類群。甲烷的產(chǎn)

8、生就是這個(gè)復(fù)雜的微生物類群中各類微生物相互協(xié)同、相互制約的結(jié)果。 這類微生物的相互作用，包括不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之間、產(chǎn)甲烷菌之間和產(chǎn)甲烷菌之間的相互關(guān)系。其中尤以不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之間的相互關(guān)系最為重要。 不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供生長和產(chǎn)甲烷所需的物質(zhì)；產(chǎn)甲烷菌又為不產(chǎn)甲烷菌生長解除反饋抑制,a,25,不產(chǎn)甲烷微生物 不產(chǎn)甲烷微生物，就是將復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為簡單的小分子化合物的一系列微生物。參與這一步驟的微生物包括厭氧菌和兼性厭氧菌。分為細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物三大類，其中以細(xì)菌為主。不產(chǎn)甲烷階段的細(xì)菌種類很多，數(shù)量巨大，但具有水解活性的細(xì)菌只占很小部分。其中專性厭氧菌數(shù)量最大，比兼性厭氧菌和

9、好氧菌多100200倍。專性厭氧菌是不產(chǎn)甲烷階段起主要作用的菌類，其中包括乳酸桿菌，革蘭氏陽性小球菌，丁酸梭菌和其它梭菌等,a,26,不產(chǎn)甲烷菌把各種復(fù)雜的有機(jī)物如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪等進(jìn)行厭氧降解，生成氫氣、二氧化碳、氨氣、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、甲醇和乙醇等產(chǎn)物。其中丙酸、丁酸和乙醇又可被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為氫氣、二氧化碳和乙酸。這樣，不產(chǎn)甲烷菌通過其生命活動(dòng)為產(chǎn)甲烷菌源源不斷地提供合成細(xì)胞物質(zhì)和產(chǎn)甲烷所需的前體物質(zhì)和能源物質(zhì)。而另一方面，不產(chǎn)甲烷菌的發(fā)酵產(chǎn)物又可以抑制本身的發(fā)酵過程。酸的積累可以抑制產(chǎn)酸細(xì)菌的繼續(xù)產(chǎn)酸,a,27,氫的積累也同樣可以抑制產(chǎn)氫細(xì)菌的繼續(xù)產(chǎn)氫。但是由于在正常的

10、甲烷形成過程中，產(chǎn)甲烷菌連續(xù)不繼地利用不產(chǎn)甲烷菌所產(chǎn)生的酸、氫氣和二氧化碳等，使厭氧消化中不致有酸和氫的積累，不產(chǎn)甲烷菌也就可以繼續(xù)正常的生長和代謝。由于不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用，致使土壤中的腐殖質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、生物殘?bào)w及有機(jī)肥等不斷降解產(chǎn)生甲烷,a,28,不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件（即厭氧環(huán)境） 在農(nóng)田土壤中，由于早期進(jìn)入大量空氣，對(duì)產(chǎn)甲烷菌是有害的。但由于不產(chǎn)甲烷菌類群中的需氧和兼性厭氧微生物的活動(dòng)，使土壤環(huán)境中的氧化還原電位不斷下降，逐步為產(chǎn)甲烷菌的生長和產(chǎn)甲烷創(chuàng)造厭氧環(huán)境,a,29,不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌清除有毒物質(zhì) 不產(chǎn)甲烷菌中，有許多菌能分解和利用對(duì)產(chǎn)甲烷菌有毒害作

11、用的物質(zhì)，如酚類、苯甲酸、氰化物、長鏈脂肪酸和重金屬等物質(zhì)。此外，不產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)物硫化氫可以與重金屬離子作用，生成不溶性的金屬硫化物而沉淀下來，從而解除了某些重金屬物質(zhì)的毒害作用,a,30,不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌共同維持環(huán)境中適宜的PH 在甲烷產(chǎn)生初期，不產(chǎn)甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖類等，產(chǎn)生大量的有機(jī)酸。同時(shí)，產(chǎn)生的二氧化碳也部分溶于水，使環(huán)境的PH下降。 但是，由于不產(chǎn)甲烷菌類群中的氨化細(xì)菌迅速進(jìn)行氨化作用而產(chǎn)生的氨氣可中和部分酸；再則由于產(chǎn)甲烷菌不斷利用乙酸、氫氣和二氧化碳形成甲烷，而使環(huán)境中的酸和二氧化碳的濃度逐步下降，環(huán)境pH逐漸上升。 通過兩類菌的共同作用，就可以使PH穩(wěn)定在一個(gè)適宜的范圍內(nèi),a,31,5）除了協(xié)同作用外，產(chǎn)甲烷菌群和不產(chǎn)甲烷菌群之間也存在著相互抑制和制約的一面。其中包括代謝產(chǎn)物自身的抑制和菌種間的抑制。別外，產(chǎn)酸菌要求的最適溫度、PH和EH（氧化還原電位）等方面都與產(chǎn)甲烷菌有明顯的差異。在產(chǎn)甲烷初期的環(huán)境條件對(duì)產(chǎn)酸菌較適應(yīng)，因此這類菌生長較旺盛，產(chǎn)酸菌成為這一階段的優(yōu)勢微生物。隨著產(chǎn)氨細(xì)菌大量產(chǎn)生氨，使PH逐漸上升，EH下降，這樣又逐步地有利于甲烷菌的生命活動(dòng)，甲烷菌的數(shù)量大大增加。再則，由于產(chǎn)氨細(xì)菌的活動(dòng)，PH上升，對(duì)產(chǎn)酸菌有制