濕地甲烷厭氧氧化的重要性和機制綜述

翟 俊,馬宏璞,陳忠禮,肖 君,劉顯檳,李媛媛,楊忠平,汪昆平,羅志勇(.重慶大學三峽庫

區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400045；2.重慶大學土木工程學院,重慶 400045；3.重慶大學化學化工學院,重慶 400045)

濕地甲烷厭氧氧化的重要性和機制綜述

翟 俊1*,馬宏璞1,陳忠禮1,肖 君1,劉顯檳1,李媛媛1,楊忠平2,汪昆平1,羅志勇3(1.重慶大學三峽庫

區生態環境教育部重點實驗室,重慶 400045；2.重慶大學土木工程學院,重慶 400045；3.重慶大學化學化工學院,重慶 400045)

介紹以甲烷氧化為主線的濕地甲烷減排機制,具體包括甲烷有氧氧化和厭氧氧化兩種,甲烷有氧氧化主要發生在濕地水土界面有氧層和植物根系泌氧區,相關研究較為深入.系統梳理濕地甲烷厭氧氧化(AOM)的3種主要反應機制的研究進展,發現厭氧氧化中對硫酸鹽還原型和反硝化型甲烷厭氧氧化的研究較為深入,而對以鐵錳氧化物作為電子受體的甲烷厭氧氧化機制的研究則相對較少,尚處于起步階段.最新研究發現微生物通過種間直接電子轉移影響甲烷厭氧氧化進程.明晰濕地甲烷排放及其厭氧氧化機制,可為濕地甲烷的氧化研究提供理論依據,并為濕地甲烷的減排技術提供新的思路.

濕地；甲烷排放；甲烷厭氧氧化

全球變暖是當今世界面臨的重大環境問題之一,大氣中二氧化碳、甲烷等溫室氣體濃度增加是導致全球變暖的主要原因.甲烷排放量僅占全球溫室氣體總排放量的 14%,但其對全球氣候變化的貢獻卻達到了 30%[1].全世界每年有5×108～6×108t的甲烷排放到大氣層中[2],其中濕地是甲烷在自然界中最大的排放源,每年向大氣貢獻1×108～2.31×108t甲烷.濕地作為地球上主要的碳庫之一,碳“源”與“匯”功能顯著[3].

在濕地生態系統中,濕地植物通過光合作用及根、莖、葉等器官吸收轉化大氣以及水體中的無機碳(CO2)和有機成分,將進入濕地環境的碳元素固定下來[4],同時進入水體的有機物、濕地植物殘體等與水體底層沉積物混合,逐漸形成濕地土壤有機質的成分,這是濕地碳“匯”功能的主要途徑.在濕地厭氧環境中植物殘體及土壤有機質通過厭氧微生物代謝活動,逐漸將大分子有機物轉化為甲烷并排放至大氣中,濕地因此而成為溫室氣體排放源之一.濕地生態系統碳“源”和“匯”功能的強弱及其相互轉化趨勢,對濕地生態系統物質能量循環意義重大,同時也影響全球氣候變化格局[5-6].

甲烷的排放是產生、氧化和傳輸3個過程的凈結果,因此減少濕地甲烷氣體排放的途徑主要是從抑制甲烷產生和促進甲烷氧化 2個方面著手[7].有關甲烷氧化的研究最先集中于甲烷的好氧氧化.甲烷好氧氧化主要存在于甲烷與氧氣共存的微小界面空間,包括土壤—空氣界面、水—空氣界面、植物根際以及植物內部,與之相關的環境因素及微生物特性的研究也已較為完善和深入[8-10].然而,由于濕地供氧環境特殊,甲烷好氧氧化所占比例很少,該過程更多存在于垃圾填埋廠、淡水沉積物以及山地土壤等環境中[9].而濕地厭氧環境中電子受體繁多(SO42?、NO2?、NO3?、Mn()Ⅳ 、Fe3+等),近年來發現的甲烷厭氧氧化(AOM)可能占據著濕地甲烷氧化的主導地位[11-12],且對優化濕地碳源與匯格局及過程具有重大意義.本文重點綜述厭氧氧化機制,旨在為濕地甲烷的減排技術創新提供新的思路.

1 濕地AOM機制

很長一段時間里,科學界普遍認為甲烷氧化需要在有氧條件下才能完成,直到 1976年Reeburgh發現了甲烷可以在無氧或者缺氧條件中被氧化[13].AOM 雖然發現較晚,但近年來關于AOM 反應過程和反應機理的研究正逐漸增多,并被認為是濕地中甲烷消減的主要途徑.濕地環境厭氧或缺氧特征明顯,基于非氧電子受體的AOM 逐漸成為濕地甲烷消減研究的新方向. Reeburgh等[13]發現海洋內產生的甲烷在海洋缺氧層中被快速消耗,而在含氧層中卻沒有甲烷消耗,因此甲烷的減少只可能是厭氧反應造成的,該發現首次證實了 AOM反應的存在.進一步研究顯示,海洋沉積層產生的甲烷中有將近 90%還未排出就在厭氧環境下被消耗掉了[14].在厭氧條件下,當甲烷為唯一的電子供體,并且有合適的電子受體,如SO42?、NO2?、NO3?、Mn( )Ⅳ、Fe3+等存在時,AOM 菌可以將甲烷氧化為二氧化碳[15-16].甲烷與相應電子受體間發生氧化反應的吉布斯自由能如表1所示.相比于海洋中AOM現象的發現,濕地中的 AOM 現象發現較晚,直到 2007年,Smemo 和 Yavitt 才首次證明了濕地中存在AOM 現象,但是其厭氧氧化機理和參與的電子受體等仍不明晰[17].

表1 甲烷與不同電子受體反應的吉布斯自由能表Table 1 Gibbs energy of reactions between methane and relevant electron acceptors

1.1 硫酸鹽還原型AOM

以硫酸根作為電子受體的 AOM(SAMO)最早被發現.1976年,Barnes和Goldberg[18]在對深海沉積物的研究中首次發現在深海沉積物中存在另一個甲烷氧化過程,即 AOM,這也被認為是AOM 研究開始的標志,并提出了甲烷和硫酸鹽耦合反應的公式:

1985年Alperin和Reeburgh通過實驗證實了海洋中存在硫酸鹽參與的 AOM 反應[19].隨后一些研究發現,在一些天然的厭氧水體中也同樣存在有硫酸鹽參與的 AOM 反應[20-21].因此, SAMO過程在許多缺氧的海洋水體、淡水沉積物以及陸地生態系統中發生,分布范圍極為廣泛.在早期,AOM 被認為主要是依靠古菌,以硫酸鹽為最終電子受體的厭氧氧化過程[22].通過 FISH試驗以及14C標記的甲烷同位素示蹤分析發現, AOM過程主要通過古菌和硫酸鹽還原菌的協同作用完成[23-25].隨后人們在海洋沉積物、河流、海灣的沉積層中相繼檢測出能夠與硫酸鹽還原菌I型和II型共生的AOM菌[26].

針對以硫酸鹽為電子受體的AOM主要有3種途徑,即逆甲烷生成途徑、乙酰生成途徑以及甲基生成途徑.逆甲烷生成途徑是最早被提出,也是研究最多的關于 AOM途徑的假說,即在甲烷單加氧酶的作用下,甲烷首先被氧化成為甲醇,再經過一系列脫氫酶的作用,最終轉化為CO2[27],反應式如下:

1994年,Hoehler等正式提出了逆甲烷生成途徑.在這個過程中,H2O得到甲烷氧化所釋放的電子后還原為 H2,而 H2被硫酸鹽還原菌所利用[28],反應式如下:

2004年,Hallam 等通過對于深海沉積物中甲烷氧化菌的基因組分析,從酶學角度支持了逆向產甲烷的理論.作為對逆甲烷生成途徑的補充,Valentine[29]提出了乙酰生成途徑.根據參與反應的物質,該途徑包括2種:第1種是甲烷氧化菌將CH4氧化并產生H2和乙酸產物,產生的乙酸為硫酸鹽還原菌提供了碳源使其能夠將SO42?還原為HS?;第2種是甲烷氧化菌利用CO2將CH4氧化為乙酸,硫酸鹽還原菌利用乙酸生成 HCO3?和HS?.2008年Moran[30]用13C標注的CH4作為示蹤劑測試在沉積物樣品中有無添加 H2,發現 H2的存在并沒有阻止甲烷的氧化,并且在H2濃度較高(33%)的條件下,AOM過程繼續發生.基于該結果,Moren 提出了一種新的甲烷氧化途徑假說——甲基生成途.即甲烷氧化菌利用甲烷和 HS?生成甲硫醚(CH3SH), CH3SH被脫硫菌利用,生成HCO3?和HS?.

初期研究認為以硫酸鹽為電子受體的AOM反應,需要在硫酸鹽濃度很高的情況下才能緩慢發生,因此在濕地環境中由于硫酸鹽濃度較低而無法發生 SAMO反應[31].2007年 Kravchenko等[32]在俄羅斯一個硫酸鹽較低的濕地中發現了SAMO的存在,并由此推斷濕地中無論硫酸鹽濃度高低都能發生 SAMO反應.低硫酸鹽濃度下,AOM的反應機制主要是以下2種:(1)還原態的硫可能在根系附近好氧區域進行了氧化反應,生成硫酸鹽隨著季節性降水循環至濕地底部進行AOM反應[33];(2)硫酸鹽可以在厭氧環境下同時進行氧化和還原反應,但這些反應需要有機碳的參與,這樣就構成了甲烷和硫酸鹽的循環體系[34-35].2012年 Milucka[36]提出以硫酸根作為電子受體的 AOM是由 ANME菌獨立完成的. Wankel等[37]也證實了AOM菌(ANME)的一個分支(ANME-2),在沒有硫酸鹽還原菌的參與下,以零價硫為中間載體完成了 AOM過程中的硫酸鹽還原.雖然對于這種古菌如何將硫酸鹽還原成元素硫的酶催化機制還不很清楚,但是此發現揭示了不同于 AOM 古菌與硫酸鹽還原細菌協同作用的新的AOM途徑.

1.2 反硝化型AOM

以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體的 AOM (DAMO)研究開展相對較晚.2004年,Islas-Lima等[38-39]通過試驗首次證明了反硝化型 AOM 過程.他們接種了以乙酸為基質長期運行的反硝化污泥,在缺氧條件下不斷向反應器內通入甲烷氣體發現NO3－-N的去除速率達295mg/(L·d),而沒有通入甲烷氣體的對照試驗組中,NO3－-N濃度基本不變,由此認為NO3－-N的還原耦聯了甲烷的厭氧氧化.2006年,Strous等在對一個微生物群落的研究中發現,該微生物群落在完全無氧條件下能利用硝酸鹽脫硝作用氧化甲烷,該發現證明AOM 可以與硝酸鹽反硝化共同進行[40].同年,《Nature》發表了荷蘭科學家有關硝酸鹽作為電子受體的 AOM的研究成果:在厭氧產甲烷條件下往海洋沉積物中加入硝酸鹽、亞硝酸鹽,存在以硝酸鹽及亞硝酸鹽為電子受體的 AOM過程,反應主要發生在沉積物的好氧/厭氧相界面,且NO2－優先于 NO3－更能發生反硝化[41],其反應式如下:

目前,針對以硝酸鹽為電子受體的 AOM的反應機理研究還處于起步階段,富集難度是其中的一個限制因素.關于 DAMO反應途徑,最早是由Raghoebarsing等[41]于2006年提出的逆向產甲烷途徑,他們根據同位素實驗的結果推測, DAMO過程由AOM古菌和反硝化細菌共同作用完成,甲烷在厭氧氧化古菌的作用下經逆向產甲烷途徑轉化為 CO2,其中間產物如甲醇、乙酸鹽等及釋放出的電子提供給反硝化細菌用于還原NO2-和NO3-.隨后,Ettwig等[42-44]對DAMO過程的培養物進行進一步的富集,結果發現隨著富集過程的推移,培養物中古菌數量不斷減少,直至完全消失,但甲烷和NO2-的轉化速率并不受影響,于是他們認為該DAMO過程主要由NC10門的細菌完成,這一現象也證明了厭氧甲烷氧化反硝化過程可以不需要古菌的參與.同年,Ettwig基于在濕地沉積物中分離出Methylomirabilis oxyfera (M. oxyera)菌種[44],提出了一種內部好氧的亞硝酸鹽依賴型厭氧甲烷氧化機理,NO2-在亞硝酸鹽還原酶(Nir)的作用下還原成NO,生成的NO被未知的NO歧化酶分解為N2和O2,一部分O2用于催化甲烷好氧氧化途徑,最終生成CO2.該過程也稱作NO歧化產氧甲烷氧化途徑,這是DAMO機理研究上的里程碑.Wu等發現M. oxyera中同時存在催化甲烷氧化的甲烷單加氧酶(pMMO)和催化反硝化過程的 NO2-還原酶(NirS)的代謝途徑,進一步證實了此類細菌能獨立完成DAMO這一過程[45-46].

近年來,研究人員開始關注 Anammox與DAMO的耦合反應機理.2009年,Waki等[47]研究發現,在 CH4和 O2存在的條件下,甲烷氧化菌、反硝化菌、好氧氨氧化菌和厭氧氨氧化菌共同完成復合脫氮的過程.Zhu等[48]于2010年提出假設Anammox微生物與DAMO微生物如果生長在同一環境里,既可能爭奪 NO2-,也可能形成一種協同作用,即當CH4存在時,Anammox細菌消耗NO2-使其轉化為NO3-,而DAMO微生物則可還原 NO3-.直到 2013年,澳大利亞科學家 Haroon等[49]首次證實了Anammox細菌與DAMO微生物之間的協同作用.Haroon等在氨和硝酸鹽共存條件下富集得到了古菌ANME-2d與Anammox細菌的共生物,命名為M. nitroreducens,并利用宏基因組、宏轉錄組等分析手段揭示了 M. nitroreducens的AOM途徑,以及進一步的同位素標記實驗和分子生物學檢測發現了其中與Anammox細菌的相互作用機理.

與大部分發生在海洋沉積物層的以硫酸鹽為電子受體的甲烷氧化不同,以硝酸鹽為電子受體的 AOM主要發生于淡水沉積物層和人工污水處理系統中[50-52].目前關于濕地 DAMO的研究已經非常廣泛,Hu等[53]對濱海和淡水不同類型的濕地中 DAMO的速率和細菌豐度進行研究,證明 DAMO對濕地甲烷的消減起著至關重要的作用.Zhu等對中國陸地濕地 DAMO菌群豐度進行調查,發現一些極端環境中也存在DAMO菌群,再次證明了DAMO在濕地碳氮循環中的重要性[54].

1.3 鐵錳氧化物作電子受體的AOM

錳(Mn)是地殼中次于鐵(Fe)的最豐富的過渡元素,以II,III及IV價價態形式的氧化物存在于地殼中[55].一般情況下,Mn的氧化滿足化學動力學規律.由微生物參與的錳的氧化還原反應是錳在淡水、海洋、河口和土壤等環境中價態循環的一個重要途徑[56-57].通過分析鐵錳氧化物的環境數據和氧化還原屬性,很多研究者都猜測存在一種微生物能夠在厭氧環境下將金屬還原和有機碳氧化結合起來[58-60].直到1988年才有文獻報導了可以利用鐵錳氧化物為電子受體獲得能量在厭氧環境中生長的微生物[61-62].

從熱力學和動力學方面考慮,Mn(IV)和Fe(III)在無氧呼吸中都是很理想的電子受體,如表2所示,它們的氧化還原電位接近硝酸鹽,并且遠高于硫酸鹽[63].

表2 各電子受體氧化還原電位比較Table 2 Comparison of ORP of relevant electronacceptors

1995年,Achtnich等[64]對電子受體競爭電子供體能力對比發現,甲烷的產生在三價鐵存在時減少31%～65%,隨后Roden等[65]證實三價鐵還原過程先于甲烷產生過程,并認為醋酸底物轉化成甲烷的潛力與無定型三價鐵的濃度負相關.我國學者曾從盛[66]發現,隨著三價鐵濃度的增加,甲烷氣體濃度逐漸降低.ANME能否利用鐵錳氧化物進行 AOM 反應也一直是研究者努力證明的科學問題.2009年,Beal等[68]在湖底沉積物中發現了微生物可以在不存在硫酸鹽的情況下利用Mn(IV)和 Fe(III)作為電子受體對甲烷進行厭氧氧化,即甲烷氧化分別耦聯Fe(III)和Mn(IV)的還原作用;他們還從熱力學角度分析發現鐵錳礦物比硫酸鹽更易驅動甲烷的厭氧氧化[67-68],并且得到以下反應方程式:

而后,許多鐵錳氧化物驅動的 AOM反應也相繼被發現[69-71].閔航等[72]也在對稻田 AOM 的研究中最終分離純化出一個能厭氧氧化甲烷的細菌菌株 AMOB3,對菌體部分生理生化特性研究發現 Mn()Ⅳ的存在能夠提高該菌株的厭氧氧化能力.Treude等[73]在2014年通過對阿拉斯加波弗特海底以下105～120cm處存在的獨特硫酸鹽-甲烷過渡區域的 AOM過程進行研究,分別向平行樣中加入硫酸鹽還原菌抑制劑或者產甲烷/AOM抑制劑,再向水樣中加入Fe或者Mn,發現樣品中AOM過程并沒有受影響.Fu[67]于2015年研究了以甲烷為碳源,DAMO細菌和Shewanella oneidensis MR-1菌富集培養系統中鐵礦的還原過程,發現鐵礦減少了 42%～88%,并通過同位素實驗證實DAMO細菌和S. oneidensis MR-1菌耦合的鐵還原過程中13CH4反應生成了13CO2.

濕地厭氧環境中,鐵錳電子驅動的AOM也廣泛存在.Varun Gupta通過穩定同位素示蹤的方法對濕地中的 AOM速率和電子受體類型進行了研究,發現濕地廣泛存在著AOM反應,無論是甲烷排放濃度比較高的濕地還是排放濃度比較低的濕地都存在著不同電子受體驅動的AOM. Norei等[74]在富含鐵錳的湖底沉積物中發現了三價鐵驅動的AOM反應,并且推斷這種類型的 AOM反應更適合于發生在濕地或者淡水環境中.但是,在這些研究中,以鐵錳氧化物作為電子受體的AOM機理尚不清楚,是AOM菌或者鐵錳還原菌獨立完成了該反應,還是兩種微生物協同共生并一起完成了該反應仍需要驗證.同時,這一類型的AOM菌或鐵錳還原菌的菌屬以及其生長特性和反應條件也需要進一步明晰.另外,鐵錳還原菌可能利用乙酸和氫氣作為電子供體,與產甲烷菌進行底物競爭,從而起到抑制甲烷產生的作用[75-76].高價鐵錳礦石的存在也可能提高環境的氧化還原電位,進而影響產甲烷菌的生物活性.

1.4 種間直接電子轉移影響下的AOM機理進展

目前,已經報導的可以作為 AOM電子受體的物質有硝酸鹽[77]、硫酸鹽[78]、金屬氧化物[79]等.其中,在淡水濕地中發現(河流、湖泊、稻田等)硝酸鹽驅動的AOM可以在AOM古菌(ANME-2d)單獨作用下進行[77].而其他兩種電子受體驅動(硫酸鹽、金屬氧化物)的AOM反應的電子轉移機制卻一直存在爭論,其中最主要的原因是無法將參與SAMO反應的兩種微生物分離開單獨研究其生理學功能.隨著近年來穩定同位素示蹤[80]、宏基因組[77,81-82]、理論模型[83]等先進技術越來越多的被利用在AOM現象的研究上,AOM在地球碳氮硫元素循環中占據的地位越來越高,研究者發現AOM菌并不完全依靠其他微生物協同作用來氧化甲烷.Milucka等發現海洋中的ANME菌可以單獨進行AOM反應并同時還原硫酸鹽而并不需要SRB菌的參與[84], Nauhaus等在海洋沉積物中加入鉬酸鹽抑制SRB生長,而AOM反應卻并沒有因此而停止[85].研究者推斷 ANME與SRB之間的電子轉移體系并不像以前研究中推斷的通過間氫或者醋酸、甲酸等中間產物作為電子轉移載體而是一種種間直接電子轉移(DIET)這種更為直接的機制來進行反應.

DIET這種電子轉移體系最早發現于地桿菌的共培養中,Lovely等[86-87]在提出胞外電子轉移機制后(DEET),Summers等[88]又在兩株地桿菌培養過程中發現兩種菌體形成了一種導電的二菌團聚體,在經過實驗后推測這兩株菌體發生了種間直接電子轉移.DIET也在產甲烷過程中發生,在利用乙醇互營養產甲烷的過程中,產甲烷菌和互營菌之間通過細胞色素、導電鞭毛和外源導電介體直接傳遞電子,避免了常規產甲烷過程產氫和耗氫過程中所需要的能量和酶等,因此 DIET被認為是比間氫這種電子轉移機制更加節省和高效的電子轉移方式[89-90].

圖1 DIET電子轉移機制下AOM電子轉移方式[91]Fig.1 The electron transfer of AOM performed by the direct interspecies (DIET)

在 AOM反應過程中,反應所能提供的能量及其有限(SAMO,△Gθ=16.6KJ/mol·CH4),因此DIET電子轉移方式顯然更加適合 AOM.2015年,Wegener等和McGlynn等相繼通過宏基因等分子生物學技術發現ANME-2中含有比地桿菌屬豐度更高的編碼細胞色素C的蛋白基因,這種細胞色素C是地桿菌屬等進行DIET反應過程必須的導電介體[92-93].但要驗證這種細胞色素在AOM 中的作用,還需要對兩種菌種進行分離.Scheller等在前人研究的基礎上第一次利用外加可溶性電子受體(Fe3+、AQDS)的方法把SAMO中的ANME菌分離出來,通過穩定同位素示蹤和納米離子探針熒光原位雜交(FISH-nanoSIMS)方法證明即使沒有硫酸鹽參與,AOM反應速率并沒有衰減,這是科學家第一次在實驗室證明了AOM是通過DIET這種方式進行電子交換的[94].相對于可溶性的電子受體(Fe3+),自然環境中更多的金屬氧化物都是晶體,不溶于水, ANME菌屬能否像地桿菌屬一樣利用這些固態金屬氧化物作為電子受體進行反應,通過哪些機制或酶控制了這些反應,這是 AOM反應后續研究的方向之一.

2 結語

濕地是自然界最重要的甲烷氣體排放源,有效的控制和消減濕地甲烷排放對緩解全球氣候變暖具有極其重要的意義.深入探究濕地甲烷從產生到排放各個環節的機制及規律,是優化濕地碳元素循環過程和減緩全球溫室效應的關鍵環節.國內外學者在甲烷排放通量及排放規律、甲烷氧化、尤其是甲烷好氧氧化機理已經開展了較長時間的研究.相對而言,AOM研究相對較晚,現階段基于非氧電子受體的 AOM研究正逐漸增多,其對濕地甲烷排放的影響及驅動機制的研究已經取得很大進展.濕地 AOM,包括以硫酸根作為電子受體的 AOM,以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體的AOM,以及有Mn(IV)和Fe(III)參與的AOM.最新研究發現微生物通過種間直接電子轉移(DIET)影響AOM進程.總體而言,目前關于濕地 AOM的研究還比較單一,主要集中于單一類型電子受體的 AOM,但實際上濕地甲烷產生與排放過程十分復雜,在途經土壤和水層的過程中可在各種可能的電子受體及細菌的共同作用下實現部分甲烷氧化,這一過程涉及濕地中碳、氮、硫、鐵、錳等元素的循環以及多種因素的綜合作用.目前的研究仍無法全面剖析甲烷氧化機理,許多問題還有待進一步研究.

[1]Bock M. On the contribution of methane isotopes to our understanding of rapid climate changes [J]. Quaternary International, 2012:279-280:57-58.

[2]Solomon S. Climate Change 2007: the physical science basis:contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [C]. 2007.

[3]O'Connor F M, Boucher O, Gedney N, et al. Possible role of wetlands, permafrost, and methane hydrates in the methane cycle under future climate change: A review [J]. Reviews of Geophysics, 2010,48(4):1-70.

[4]姚守平,羅 鵬,王艷芬,等.濕地甲烷排放研究進展 [J]. 世界科技研究與發展, 2007,29(2):58-63.

[5]Mer J L, Roger P. Production, oxidation, emission and consumption of methane by soils: A review [J]. European Journal of Soil Biology, 2001,37(1):25-50.

[6]潘 濤.人工濕地減排溫室氣體估算研究 [D]. 南京:南京大學, 2009.

[7]Chowdhury T R, Dick R P. Ecology of aerobic methanotrophs in controlling methane fluxes from wetlands [J]. Applied Soil Ecology, 2013,65(65):8-22.

[8]Knief C, Dunfield P F. Response and adaptation of different methanotrophic bacteria to low methane mixing ratios [J]. Environmental Microbiology, 2005,7(9):1307-1317.

[9]Yun J, Wang Y, Zhang H. Ecology of aerobic methane oxidizing bacteria (methanotrophs) [J]. Acta Ecologica Sinica, 2013,33(21): 6774-6785.

[10]Jianguo í G, Longhao U Z, Dan X, et al. The effect of the flood on the bacterial community of bacterioplankton in Daling River [J]. Acta Ecologica Sinica, 2015,35(14):4778-4782.

[11]Kip N. Global prevalence of methane oxidation by symbiotic bacteria in peat-moss ecosystems [J]. Nature Geoscience, 2010, 3(9):617-621.

[12]Smemo K A, Yavitt J B. A multi-year perspective on methane cycling in a shallow peat fen in central new york state, USA [J]. Wetlands, 2006,26(1):20-29.

[13]Reeburgh W S. Methane consumption in Cariaco Trench waters and sediments [J]. Earth & Planetary Science Letters, 1976, 28(3):337-344.

[14]Reeburgh W, Whalen S, Alperin M. The role of methylotrophy in the global methane budget [M]//Murrel JC, Kelly DP. Microbial Growth on C1Compounds. Andover: Intercept Press, 1993: 1?14.

[15]Thauer R K. Functionalization of methane in anaerobic microorganisms [J]. Angewandte Chemie, 2010,49(38):6712.

[16]Devol A H, Ahmed S I. Are high rates of sulphate reduction associated with anaerobic oxidation of methane? [J]. Nature, 1981,291(5814):407-408.

[17]Smemo K A, Yavitt J B. Evidence for anaerobic CH4oxidation in freshwater peatlands [J]. Geomicrobiology Journal, 2007,24(7/8): 583-597.

[18]Barnes R O, Goldberg E D. Methane production and consumption in anoxic marine sediments [J]. Geology, 1976,4(1976):297-300.

[19]Alperin M J, Reeburgh W S. Inhibition experiments on anaerobic methane oxidation [J]. Applied & Environmental Microbiology, 1985,50(4):940-945.

[20]Jr P A, Patt T E, Hart W, et al. Oxidation of methane in the absence of oxygen in lake water samples [J]. Applied & Environmental Microbiology, 1979,37(2):303-309.

[21]Reeburgh W S, Ward B B, Whalen S C, et al. Black sea methane geochemistry [J]. Deep Sea Research Part A Oceanographic Research Papers, 1991,38(10):1189-1210.

[22]Orphan V J, House C H, Hinrichs K U, et al. From the Cover: Multiple archaeal groups mediate methane oxidation in anoxic cold seep sediments [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002,99(11):7663-7668.

[23]Hinrichs K U, Sylva S, Brewer P, et al. Methane-consuming archaebacteria in marine sediments. [J]. Nature, 1999,398(6730): 802-805.

[24]Orphan V J, Delong E F. Methane-consuming archaea revealed by directly coupled isotopic and phylogenetic analysis [J]. Science, 2001,293(5529):484-487.

[25]Boetius A, Ravenschlag K, Schubert C J, et al. A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidationof methane [J]. Nature, 2000,407(6804):623.

[26]Treude T, Krüger M, Boetius A, et al. Environmental control on anaerobic oxidation of methane in the gassy sediments of Eckernf?rde Bay (German Baltic) [J]. Limnology & Oceanography, 2005,50(6):1771-1786.

[27]韓 冰,蘇 濤,李 信,等.甲烷氧化菌及甲烷單加氧酶的研究進展 [J]. 生物工程學報, 2008,24(9):1511-1519.

[28]Hoehler T M, Alperin M J, Albert D B, et al. Field and laboratory studies of methane oxidation in an anoxic marine sediment: Evidence for a methanogen ‐ sulfate reducer consortium [J]. Global Biogeochemical Cycles, 1994,8(4):451-463.

[29]Valentine D L, Reeburgh W S. New perspective on anaerobic methane oxidation [J]. Environmental Microbiobogy, 2010,2(5): 477-484.

[30]Moran J J, Beal E J, Vrentas J M, et al. Methyl sulfides as intermediates in the anaerobic oxidation of methane [J]. Environmental Microbiology, 2008,10(1):162-173.

[31]Thauer R K, Shima S. Biogeochemistry: methane and microbes [J]. Nature, 2006,440(7086):878-879.

[32]Kravchenko I, Sirin A. Activity and metabolic regulation of methane production in deep peat profiles of boreal bogs [J]. Microbiology, 2007,76(6):791-798.

[33]Dedysh S N, Liesack W, Khmelenina V N, et al. Methylocella palustris gen. nov., sp. nov., a new methane-oxidizing acidophilic bacterium from peat bogs, representing a novel subtype of serine-pathway methanotrophs [J]. International Journal of Systematic & Evolutionary Microbiology, 2000,50(3):955-969.

[34]Blodau C, Mayer B, Peiffer S, et al. Support for an anaerobic sulfur cycle in two Canadian peatland soils [J]. Journal of Geophysical Research Biogeosciences, 2007,112(G2):112-123.

[35]Heitmann T, Blodau C. Oxidation and incorporation of hydrogen sulfide by dissolved organic matter [J]. Chemical Geology, 2006,235(1/2):12-20.

[36]Milucka J, Ferdelman T G, Polerecky L, et al. Zero-valent sulphur is a key intermediate in marine methane oxidation. [J]. Nature, 2012,491(7425):541-546.

[37]Wankel S D, Adams M M, Johnston D T, et al. Anaerobic methane oxidation in metalliferous hydrothermal sediments: Influence on carbon flux and decoupling from sulfate reduction [M]. 2012:2726-2740.

[38]Islaslima S, Thalasso F, Gómezhernandez J. Evidence of anoxic methane oxidation coupled to denitrification [J]. Water Research, 2004,38(1):13-16.

[39]沈李東,胡寶蘭,鄭 平. AOM 微生物的研究進展 [J]. 土壤學報, 2011,48(3):619-628.

[40]Hu S, Zeng R J, Burow L C, et al. Enrichment of denitrifying anaerobic methane oxidizing microorganisms. [J]. Environmental Microbiology Reports, 2009,1(5):377-384.

[41]Raghoebarsing A A, Pol A, Kt P S, et al. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification [J]. Nature, 2006,440(7086):918-921.

[42]Ettwig K, Shima S, Kt P S, et al. Denitrifying bacteria anaerobically oxidize methane in the absence of Archaea [J]. Environmental Microbiology, 2008,10(11):3164-3173.

[43]Ettwig K F, Van A T, Kt P S, et al. Enrichment and molecular detection of denitrifying methanotrophic bacteria of the NC10phylum [J]. Applied & Environmental Microbiology, 2009,75(11):3656-3662.

[44]Ettwig K F, Butler M K, Paslier D L, et al. Nitrite-driven anaerobic methane oxidation by oxygenic bacteria [J]. Nature, 2010,464(7288):543-548.

[45]Wu M L, Ettwig K F, Jetten M S, et al. A new intra-aerobic metabolism in the nitrite-dependent anaerobic methane-oxidizing bacterium Candidatus 'Methylomirabilis oxyfera' [J]. Biochemical Society Transactions, 2011,39(1):243-248.

[46]Wu M L, van Alen T A, van Donselaar E G, et al. Co-localization of particulate methane monooxygenase and cd 1 nitrite reductase in the denitrifying methanotroph ‘Candidatus Methylomirabilis oxyfera’ [J]. Fems Microbiology Letters, 2012,334(1):49-56.

[47]Waki M. Nitrogen removal by co-occurring methane oxidation, denitrification, aerobic ammonium oxidation, and anammox [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2009,84(5):977-985.

[48]Zhu G, Jetten M S M, Kuschk P, et al. Potential roles of anaerobic ammonium and methane oxidation in the nitrogen cycle of wetland ecosystems [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2010,86(4):1043-1055.

[49]Haroon M F, Hu S, Shi Y, et al. Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage [J]. Nature, 2013,500(7464):567-570.

[50]Modin O, Fukushi K, Yamamoto K. Denitrification with methane as external carbon source [J]. Water Research, 2007,41(12): 2726-2738.

[51]Ettwig K, Shima S, Kt P S, et al. Denitrifying bacteria anaerobically oxidize methane in the absence of Archaea [J]. Environmental Microbiology, 2008,10(11):3164-3173.

[52]Raghoebarsing A A, Pol A, Kt P S, et al. A microbial consortium couples anaerobic methane oxidation to denitrification [J]. Nature, 2006,440(7086):918-921.

[53]Hu B L, Shen L D, Lian X, et al. Evidence for nitrite-dependent anaerobic methane oxidation as a previously overlooked microbial methane sink in wetlands [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014,111(12):4495-4500.

[54]Zhu G, Zhou L, Wang Y, et al. Biogeographical distribution of denitrifying anaerobic methane oxidizing bacteria in Chinese wetland ecosystems [J]. Environmental Microbiology Reports, 2015,7(1):128-138.

[55]M?rz C, Stratmann A, Matthiessen J, et al. Manganese-rich brown layers in Arctic Ocean sediments: Composition, formation mechanisms, and diagenetic overprint [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2011,75(23):7668-7687.

[56]Tebo B M, Ghiorse W C, Waasbergen L G V, et al. Insights into manganese(II) oxidation frommolecular genetic and biochemical studies [J]. Rev. Miner, 1997,35:225-266.

[57]York N, Dekker M. Geomicrobiology, 4th ed [R]. Marcel Dekker, New York, 2002.

[58]Ehrlich H L. Manganese oxide reduction as a form of anaerobic respiration [J]. Geomicrobiology Journal, 1987,5(3/4):423-431.

[59]Ghiorse W C. Microbial reduction of manganese and iron [J]. Biology of anaerobic microorganisms, 1988:305-331.

[60]Nealson K H. The microbial manganese cycle [J]. Microbial geochemistry, 1983:191-222.

[61]Dichristinatj, Arnoldrg, Lidstromme, et al. Dissimilative iron reduction by the marine eubacterium alteromonas putrefaciens Strain 200 [J]. Water Science & Technology, 1988,20:69-79.

[62]Lovley D R, Phillips E J. Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese [J]. Applied & Environmental Microbiology, 1988,54(6):1472-1480.

[63]Myers C R, Nealson K H. Bacterial manganese reduction and growth with manganese oxide as the sole electron acceptor [J]. Science, 1988,240(4857):1319-1321.

[64]Achtnich C, Bak F, Conrad R. Competition for electron donors among nitrate reducers, ferric iron reducers, sulfate reducers, and methanogens in anoxic paddy soil [J]. Biology and Fertility of Soils, 1995,19(1):65-72.

[65]Roden E E, Wetzel R G. Competition between Fe(III)-reducing and methanogenic bacteria for acetate in iron-rich freshwater Sediments [J]. Microbial Ecology, 2003,45(3):252.

[66]曾從盛,王維奇,仝 川.不同電子受體及鹽分輸入對河口濕地土壤甲烷產生潛力的影響 [J]. 地理研究, 2008,27(6):1321-1330.

[67]Fu L, Li S W, Ding Z W, et al. Iron reduction in the DAMO/Shewanella oneidensis MR-1coculture system and thefate of Fe(II) [J]. Water Research, 2015,88:808-815.

[68]Beal E J, House C H, Orphan V J. Manganese- and irondependent marine methane oxidation [J]. Science, 2009,325 (5937):184-187.

[69]Segarra K E A, Comerford C, Slaughter J, et al. Impact of electron acceptor availability on the anaerobic oxidation of methane in coastal freshwater and brackish wetland sediments [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2013,115(5):15-30.

[70]Crowe S A, Katsev S, Leslie K, et al. The methane cycle in ferruginous Lake Matano [J]. Geobiology, 2011,9(1):61-78.

[71]Sivan O, Adler M, Pearson A, et al. Geochemical evidence for iron ‐ mediated anaerobic oxidation of methane [J]. Limnology & Oceanography, 2011,56(4):1536-1544.

[72]閔 航,譚玉龍,吳偉祥,等.一個厭氧甲烷氧化菌菌株的分離、純化和特征研究 [J]. 浙江大學學報(農業與生命科學版), 2002, 28(6):619-624.

[73]Treude T, Krause S, Maltby J, et al. Sulfate reduction and methane oxidation activity below the sulfate-methane transition zone in Alaskan Beaufort Sea continental margin sediments: Implications for deep sulfur cycling [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2014,144:217-237.

[74]Norei K à, Bo T, Schubert C J. Anaerobic oxidation of methane in an iron-rich Danish freshwater lake sediment [J]. Limnology & Oceanography, 2013,58(2):546-554.

[75]Reiche M, Torburg G, Küsel K. Competition of Fe(III) reduction and methanogenesis in acidic fen [J]. Fems Microbiology Ecology, 2008,65(1):88-101.

[76]Yang L, Li Y, Yang X, et al. Effects of iron plaque on phosphorus uptake by Pilea cadierei cultured in constructed wetland [J]. Procedia Environmental Sciences, 2011,11(1):1508-1512.

[77]Haroon M F, Hu S, Shi Y, et al. Anaerobic oxidation of methane coupled to nitrate reduction in a novel archaeal lineage [J]. Nature, 2013,500(7464):567-570.

[78]Boetius A, Ravenschlag K, Schubert C J, et al. A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidation of methane [J]. Nature, 2000,407(6804):623-626.

[79]Beal E J, House C H, Orphan V J. Manganese- and irondependent marine methane oxidation [J]. Science, 2009,325 (5937):184-187.

[80]Hu B, Shen L, Lian X, et al. Evidence for nitrite-dependent anaerobic methane oxidation as a previously overlooked microbial methane sink in wetlands [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2014,111(12):4495-4500.

[81]Wang F, Zhang Y, Chen Y, et al. Methanotrophic archaea possessing diverging methane-oxidizing and electrontransporting pathways [J]. ISME Journal, 2014,8(5):1069-1078.

[82]Meyerdierks A, Kube M, Kostadinov I, et al. Metagenome and mRNA expression analyses of anaerobic methanotrophic archaea of the ANME-1group [J]. Environmental Microbiology, 2010, 12(2):422-439.

[83]Orcutt B, Meile C. Constraints on mechanisms and rates of anaerobic oxidation of methane by microbial consortia: processbased modeling of ANME-2archaea and sulfate reducing bacteria interactions [J]. Biogeosciences, 2008,5(3):1587-1599.

[84]Milucka J, Ferdelman T G, Polerecky L, et al. Zero-valent sulphur is a key intermediate in marine methane oxidation [J]. Nature, 2012,491(7425):541-546.

[85]Nauhaus K, Treude T, Boetius A, et al. Environmental regulation of the anaerobic oxidation of methane: a comparison of ANME-I and ANME-II communities [J]. Environmental Microbiology, 2005,7(1):98-106.

[86]Lovley D R, Stolz J F, Nord G L, et al. Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism [J]. Nature, 1987,330(6145):252-254.

[87]Lovley D R, Phillips E J P. Availability of ferric iron for microbial reduction in bottom sediments of the freshwater tidal potomac river [J]. Applied & Environmental Microbiology, 1986, 52(4):751.

[88]Summers Z M, Fogarty H E, Leang C, et al. Direct exchange of electrons within aggregates of an evolved syntrophic coculture of anaerobic bacteria [J]. Science, 2010,330(6009):1413-1415.

[89]Lovley D R. Live wires: direct extracellular electron exchange for bioenergy and the bioremediation of energy-related contamination [J]. Energy & Environmental Science, 2011,4(12): 4896-4906.

[90]Lovley D R. Electromicrobiology [J]. Annual Review of Microbiology, 2012,66(1):391-409.

[91]Rotaru A E, Thamdrup B. A new diet for methane oxidizers [J]. Science, 2016,351(6274):658.

[92]Wegener G, Krukenberg V, Riedel D, et al. Intercellular wiring enables electron transfer between methanotrophic archaea and bacteria [J]. Nature, 2015,526(7574):587-590.

[93]Mcglynn S E, Chadwick G L, Kempes C P, et al. Single cell activity reveals direct electron transfer in methanotrophic consortia [J]. Nature, 2015,526(7574):531-535.

[94]Scheller S, Yu H, Chadwick G L, et al. Artificial electron acceptors decouple archaeal methane oxidation from sulfate reduction [J]. Science, 2016,351(6274):703-707.

Review on the importance and mechanisms of anaerobic oxidation of methane in wetlands.

ZHAI Jun1*, MA Hong-pu1, CHEN Zhong-li1, XIAO Jun1, LIU Xian-bin1, LI Yuan-yuan1, YANG Zhong-ping2, WANG Kun-ping1, LUO Zhi-yong3(1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Chongqing University, Chongqing 400045, China；2.School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China；3.School of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3506～3514

In this paper, methane oxidation mechanisms under aerobic and anaerobic conditions in wetlands was introduced. Methane oxidation under aerobic condition occurs at aerobic zone of the wetlands (e.g., rhizosphere and water-sediment interface), which has been studied frequently. Simultaneously, the progress of the three main reactions of anaerobic oxidation of methane (AOM) was systematically reviewed in this paper. Previous studies mostly focus on the sulfate, nitrite, and nitrate dependent AOM processes while iron and manganese driven AOM is still found to be insufficient. The direct microbial interspecies electron transfer (DIET) that influence AOM process had also been reported. This paper also discussed methane emission in wetland and its anaerobic oxidation mechanisms, aiming at providing a theoretical basis for the study of methane oxidation and new ideas for methane emission reduction in wetlands.

wetland；methane emission；anaerobic oxidation of methane

X131

A

1000-6923(2017)09-3506-09

2016-12-29

國家自然科學基金項目(51478062);中央高校基本科研業務費專項項目(106112016CDJZR218805);重慶市科技計劃項目(cstc2015jcyjBX0111)

* 責任作者, 教授, zhaijun@cqu.edu.cn

翟 俊(1977-),男,江蘇溧陽人,教授,博士,從事廢水處理理論與技術研究.發表論文60余篇.