氮素和氧气对水稻土中甲烷氧化的调控机理

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1、分类号：单位代码：密级学号：博士学位论文氮素和氧气对水稻土中甲烷氧化的调控机理研究生胡盎指导教师陆雅海合作指导教师申请学位门类级别农学博士专业名称资源环境生物技术研究方向分子微生物生态所在学院资源与环境学院ChinaAgriculturalUniversityPh.D.DissertationMechanismsofnitrogenandoxygenregulationonmethaneoxidationinricefieldsoilsPh.D.Candidate:AngHuSupervisor:YahaiLuCo-supervisor:MarcDumontMay2015独创性声明

2、本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中已经注明引用和致谢的内容外，论文中不包含本人和其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：时间：年月々日关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定。本人同意中国农业大学有权保存及向国家有关部门和机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人同意中国农业大学将本学位论文的全部或部分内容授权汇编

3、录入《中国博士学位论文全文数据库》或《中国优秀硕士学位论文全文数据库》进行出版，并享受相关权益。保密的学位论文在解密后应遵守此协议）学位论文作者签名：时间：年月日导师签名时间：年曰：芦月”摘要稻田生态系统是温室气体甲烷的重要排放源之一，然而生长在稻田好氧区域的甲烧氧化菌可以减少稻田因厌氧产生的甲烷向大气的排放。稻田中甲烧氧化菌的生长和活性受到许多环境因子如氮素和氧气的调控。氮肥施用是重要的农业管理措施，主要用来提高水稻产量。本论文采用杭州的水稻土为材料，通过一系列生物地球化学和微生物分子生态学的研究方法，系统地研究了氮肥和氧气对水稻土中甲焼氧化和相关微生物群落的影响以及可能的分子机

4、制。对水稻土进行实验室好氧培养，通过添加一系列浓度的铵态氮和硝态氮来分析不同形态氮素对甲綜氧化的影响。结果发现，铵态氮和摘态氮均能促进水稻土中的甲焼氧化，氮素对甲院氧化的促进作用随氮素浓度的增加而增强，且同一平的硝态氮比铵态氮有更强的促进作用。通过运用、定量和克隆测序的方法对土壤中总体细菌和功能性种群的群落结构及丰度进行分析。结果发现，甲烷氧化菌群落由型和型甲烷氧化菌组成，但型甲烷氧化菌占主导。铵态氮肥仅促进型甲烧氧化菌的生长，但抑制了型甲烷氧化菌，而硝态氮肥则同时促进了型和型甲烧氧化菌的生长。另外，硝态氮显著促进了型反硝化细菌以及可执行反硝化作用的嗜甲基菌科—的生长。因此，硝态氮

5、可能是水稻土甲烷氧化菌的更佳氮源。进而，结合稳定同位素标记（和宏转录组学技术分析了甲烷氧化菌各基因在氮素受限条件下的表达响应规律。结果表明，氮素受限显著促进了氮素同化过程相关基因的表达，暗示了甲烧氧化菌对氮同化有更多的需求用来解决氮不足的问题。但是，氮素受限显著抑制了产能过程（甲醛异化过程和电子传递链）和合成代谢过程（甲醛同化、氨基酸的合成代谢、蛋白代谢以及转录和翻译过程等）的相关基因的表达。通过设置不同水平的初始氧气浓度来分析氧气对水稻土甲貌氧化的影响。氮素受限条件下，氧气浓度有利于甲烷的氧化，但是氮素添加后，其对甲院氧化的促进作用随氧气浓度的增加而增强，且在所有氧气水平，硝态氮

6、对甲烷氧化的促进作用都高于铵态氮。通过稳定同位素标记（结合和焦磷酸测序的方法对土壤中同化的细菌和甲院氧化菌的群落结构进行分析。结果发现，在所有氧气水平，甲基八叠球菌属代表的型甲烧氧化菌在氮素添加后能快速成为优势菌群。各个氧气水平下，硝态氮还能促进甲烷同化进入甲基细菌属以及少部分可能执行反硝化作用的非甲烷氧化菌中。另外，甲基单胞菌属和甲基微菌属可能对较高浓度的按态氮有较强忍耐力，主要在氧气水平发挥甲烷氧化活性，因此甲規氧化菌仍能适应氧气极低的环境。进而，结合和宏转录组的方法分析了甲焼氧化菌各基因在氧气受限条件下的表达响应规律。结果表明，较低的氧气浓度显著抑制了氮素同化过程和甲酸氧化的

7、四氢甲基蝶呤依赖型异化途径（相关基因的表达，但与电子传递链相关的一些酶以及发酵产氢过程相关酶的编码基因的表达有上调的趋势。综上所述，通过实验室培养的方法，本论文的研究结果系统全面的研究了氮素和氧气因子对水稻土中甲焼氧化及相关的微生物群落的影响，并且解释了这些环境因子调控水稻土甲烧氧化的微生物学机理，为稻田甲烷减排提供了基础的科学依据和微生物学理论基础。关键词：水稻土，氮肥，铵态氮，硝态氮，氧气，甲院氧化细菌，稳定同位素标记技术（，焦磷酸测序，宏转录组学Abstract