• 农田土壤产甲烷细菌群落分子生态分析
Lysis, DNA/RNA extraction
DNA/RNA purification
PCR/RT-PCR amplification of 16S rRNA or functional genes Identification Cloning Sequencing Phylogenetic analysis Fingerprinting: DGGE, TGGE, RFLP, t-RFLP, SSCP
• 放线菌：嗜热褐色放线菌、普通小单胞
菌 、诺卡氏菌属、小诺卡氏菌属、链霉菌 属
• 底物：
• • • • 1.与农田土壤有机质（物）结构复杂性有关； 2.与有机物新鲜性有关； 3.与土壤含水量有关； 4.与土壤肥力有关
• 在甲烷产生过程中，存在着一个种群众多、 关系复杂的微生物类群。甲烷的产生就是 这个复杂的微生物类群中各类微生物相互 协同、相互制约的结果。 • 这类微生物的相互作用，包括不产甲烷菌 和产甲烷菌之间、产甲烷菌之间和产甲烷 菌之间的相互关系。其中尤以不产甲烷菌 和产甲烷菌之间的相互关系最为重要。 • ⑴不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长和产甲 烷所需的物质；产甲烷菌又为不产甲烷菌 生长解除反馈抑制
1.先导生态菌群 2.产酸产氢微生物（菌群） 3.产甲烷细菌（菌群）
1.甲烷细菌（菌群）
• 甲烷细菌是专性厌氧的，属于古细菌， 对温度、pH值、微量氧、有毒物质等 敏感。最适宜温度35°C-38°C，4 °C也能生存，甲烷细菌要求的pH值 在6.8-7.2之间。 • 是一群非常特殊的微生物。只能利用 比较简单的有机化合物和无机化合物， 而且生长缓慢。为化能自养型，存在 对氧极为敏感的F420因子，即使存在 微量的氧都会对产甲烷菌造成不利影 响。
• 所有产甲烷菌都能利用氢气和二氧化 碳，代谢产生甲烷，其中绝大多数还 能利用甲酸和乙酸。乙酸是产甲烷的 关键性物质，大约72%的甲烷来自于 乙酸。 • 产甲烷菌的生长繁殖相当缓慢。甲烷 菌的繁殖倍增时间一般都比较长，达 4～6天。在人工培养条件下需经过十 几天甚至几十天才能长出菌落。 • 菌落一般圆形、透明、边缘整齐，在 荧光显微镜下发出强的荧光。
• 生物的16S（或18S）核糖体核糖核酸 (rRNA)寡聚核苷酸序列谱的相似性的研究成果，
指出产甲烷菌是一群独特的产物，与其他细菌和 真核生物显然不同。他们主张把产甲烷细菌归属 于古细菌，与其他细菌（真细菌）和真核生物并 列为生物的3大类群。 W.E.巴尔赫还提出了产甲烷细菌的分类系统， 其中包括甲烷杆菌目、甲烷球菌目和甲烷微菌目 3目，甲烷杆菌科、甲烷球菌科、甲烷微菌科和甲 烷片菌科4科。 产甲烷细菌的特性为：①代谢产物为甲烷和二 氧化碳；②产能机质范围窄，为氢、甲酸、甲醇、 乙酸、甲胺类；③需要低的氧化还原电位（-330 毫伏）；④有独特的辅酶，辅酶及生长因子为辅 酶M.F420、F430、COM、F342,B因子.CDR、
• 先导生态菌群（伴生菌）
• 细菌：梭状芽孢杆菌、乳酸杆菌，革兰氏阳性小 球菌，丁酸梭菌和其它梭菌、纤维素分解菌、硫 酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌、产氨细菌、产 氢细菌、产乙酸细菌
• 真菌：白腐菌、曲霉属、青霉、嗜热真菌
属、根霉、担子菌属、腐霉属、酵母菌、 丝状真菌、假丝酵母属、子囊菌属、裂殖 酵母菌属、球拟酵母属、酒香酵母属、毕 赤氏酵母属、汉逊氏酵母属、克鲁弗氏酵 母属、隐球酵母属、德巴利氏酵母属、卵 孢酵母属
• 土壤产甲烷细菌群落系统进化树
• 产酸产氢微生物（菌群）
• 醋酸杆菌、丁酸梭菌、乳酸菌、乳酸杆菌、拟杆 菌属、气杆菌属、发酵单胞菌属、梭状芽孢杆菌 属、红螺菌属、酵母菌、丝状酵母、光合细菌、 互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属、 荚硫菌属、红微菌属、外硫红螺菌属、红假单胞 菌属、蓝细菌类硫螺菌属、板硫菌属、梭杆菌属、 闪囊菌属、网硫菌属、埃希氏菌属
农田温室气体生的微 生物生态学机理研究进展 吴洪生
南京信息工程大学 应用气象学院
yzwhs126
1.温室气体甲烷概况 2.农田温室气体甲烷的来源 3.农田产甲烷微生物 4.环境条件与农田甲烷的产生 5.不产甲烷菌与产甲烷菌生态 互作关系
• 甲烷是地球上主要的温室气体，对 全球气候变暖的增温作用大约占 15%，其相对二氧化碳的增温效应 值为19。 • 1776年，A.伏打发现池沼沉积物 中有一种可燃性气体，沼气。 • 1868年，E.贝香提出沼气是由微 生物降解有机质而产生的。
• 不产甲烷微生物
• 不产甲烷微生物，就是将复杂有机物质转 化为简单的小分子化合物的一系列微生物。 参与这一步骤的微生物包括厌氧菌和兼性 厌氧菌。分为细菌、真菌和原生动物三大 类，其中以细菌为主。不产甲烷阶段的细 菌种类很多，数量巨大，但具有水解活性 的细菌只占很小部分。其中专性厌氧菌数 量最大，比兼性厌氧菌和好氧菌多100～ 200倍。专性厌氧菌是不产甲烷阶段起主要 作用的菌类，其中包括乳酸杆菌，革兰氏 阳性小球菌，丁酸梭菌和其它梭菌等。
太空望远镜上拍摄火星甲烷
--黄（红）色部分是甲烷
卫星上拍摄地球甲烷 --棕色部分是甲烷
农田温室气体甲烷的来源: 1.土壤腐殖质的分解 --5-8% 2.土壤有机残体分解 --40-70% 3.有机肥分解 --20-40% 4.其它人工合成有机物 --10-15%
与农田甲烷形成有关的微 生物
不产甲烷菌群
• 在厌氧条件下以甲烷为特异代谢产物。 1956年，H.A.巴克打破按形态差异将 产甲烷细菌分散在不同科属中的分类 系统，把具有上述特性的多种形态的 细菌划归为一个生理群，建立甲烷细 菌科。《伯杰氏鉴定细菌学手册》(第 8版)基本上采纳了巴克的系统。70年 代后期和80年代初，G.E.福克斯、 W.E.巴尔赫和C.R.沃斯等人发表比较 产甲烷细菌和其他细菌以及某些真核
• F430等； ⑤有独特16SrRNA寡聚核苷
酸序列谱；⑥ tRNA中缺乏其他生物所共有 GTψCG核苷酸序列；⑦细胞壁中没有其他 细菌细胞壁中所共有的胞壁酸和 D型氨基 酸；⑧所含类酯大部分不可皂化为含植烷 醚键、鲨烯、氢沙烯；⑨ DNA的分子量可 能为大肠杆菌的1/3(1.1×109)。 目前总共分离、鉴定出237株产甲烷菌。