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1、生态环境学报 2012, 21(4): 737-743 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目：国家自然科学基金项目(41001149)；中国科学院重要方向项目(KZCX2-YW-JC401) 作者简介：郑勇(1981 年生)，男，助理研究员，博士，主要从事土壤微生物与全球环境变化研究。E-mail: *通信作者(责任作者)，E-mail: 收稿日期：2012-02-05 水稻土甲烷氧化菌对镉胁迫的响应 郑勇1，郑袁明2，贺纪正2* 1. 中国科学院微生物研究所，真菌学国家重点实验室，北京 100101 2. 中国科学
2、院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085 摘要：重金属污染影响土壤微生物群落结构与活性，间接影响土壤碳(如 CO2、CH4)的生物地球化学循环和全球气候变化。甲烷氧化菌氧化消耗 CH4，降低大气中 CH4含量，在缓解由温室气体导致的全球温暖化方面起着重要作用。本研究通过短期土壤培养实验，比较研究了不同强度重金属镉(Cd)胁迫下，水稻土中甲烷氧化菌的多度、群落组成及其氧化 CH4潜势的差异。结果表明，添加 Cd 含量越大，水稻土氧化 CH4潜势越弱，甲烷氧化菌 pmoA 基因拷贝数显著减少；甲烷氧化菌多度与水稻土氧化 CH4潜势之间存在显著正相关关系(P 01 10
3、Ctrl图 5 添加不同 Cd 含量处理下水稻土中 甲烷氧化菌群落组成的 DGGE 谱图 Fig. 5 The DGGE profile of methanotrophs in a Chinese paddy soil with different levels of Cd addition 郑勇等：水稻土甲烷氧化菌对镉胁迫的响应 741 化的一个主要因素39。因此，氧化 CH4潜势与甲烷 氧化菌多度不总是会显著正相关，有可能不相关或 者负相关；除了甲烷氧化菌多度，甲烷氧化菌群落 组成也应该是决定氧化 CH4潜势的重要因子。 本研究发现， Cd 胁迫能改变水稻土中甲烷氧化 菌群落组成。添加相对
4、低质量分数 Cd (1 mgkg-1) 时，甲烷氧化菌多样性(DGGE 条带数)增加；添加 高质量分数 Cd (10 mgkg-1)时，水稻土甲烷氧化菌 多样性明显降低。已有研究表明，不同程度的重金 属污染能明显改变农田土壤的微生物群落遗传多 样性，但不呈简单的负相关关系，最大的多样性指 数出现在中等污染程度的土壤中40。土壤微生物多 样性受重金属胁迫效应的强弱与添加重金属含量 密切相关。段学军等41采用 16S rDNA DGGE 分析 技术，研究稻田土在不同强度 Cd 胁迫下土壤微生 物种群的基因多样性时发现土壤中可能存在着在 适中 Cd 含量下生长良好的耐受微生物菌属。针对 亚热带水稻土
5、甲烷氧化菌群落结构受 Cu 污染影响 的研究发现，甲烷氧化菌不同种群对 Cu 胁迫的敏 感性与耐受性存在较大差异27。在本研究中，水稻 土甲烷氧化菌的群落组成在 Cd 污染(胁迫)下发生 明显的变化，但与 CH4氧化潜势无明显相关性，说 明只有部分甲烷氧化菌参与并发挥了氧化 CH4功 能，未来可采用其他研究手段检测并深入研究这些 “活跃”的甲烷氧化菌，譬如通过稳定性同位素探测 技术42。 通常土壤类型不同，甲烷氧化菌群落结构各 异， 并且受到的重金属污染类型也各式各样； 因此， 未来的研究有必要针对更多的土壤类型来开展单 一或者复合重金属污染下土壤中甲烷氧化菌分子 生态学方面的研究工作，全面解
6、析重金属污染土壤 中甲烷氧化菌的分子生态学特征，并将群落结构等 特征和发挥的生态功能进行整合分析，这将有助于 更为准确地评估污染土壤对 CH4的氧化潜能。 另一 方面，结合甲烷氧化菌与土壤重金属之间的相互作 用机理，对甲烷氧化菌特异性功能基因进行分析， 有望找出能够反映土壤重金属污染程度的敏感基 因，并对其进行跟踪探测，为土壤重金属污染预警 提供有效指示因子。 4 结论 本文通过微宇宙土壤培养实验结合 real-time PCR 和 DGGE 技术研究了添加不同质量分数重金 属 Cd 对典型的南方水稻土氧化 CH4潜势、甲烷氧 化菌数量及其群落组成的影响，发现 Cd 处理质量 分数越高， 其
7、CH4氧化潜势越弱， 甲烷氧化菌 pmoA 基因拷贝也显著减少。 低 Cd (1 mgkg-1)条件下， Cd 的添加可在一定程度上诱导出现新的甲烷氧化菌菌属，但较高质量分数 Cd (10 mgkg-1)胁迫下，水 稻土中甲烷氧化菌菌属种类明显减少。总之，Cd 胁迫抑制某些甲烷氧化菌类群的增殖，改变了甲烷 氧化菌的群落组成，从而在一定程度上降低水稻土 氧化 CH4的潜力。 参考文献： 1 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Worki
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14、ences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China Abstract: Heavy metal contamination has strong effect on the soil microbial community and activities, and also affects the biogeochemical cycling of soil carbon (e.g. CO2 and CH4) and global climate change. Fortunately, methane-oxidizing bact
15、eria (methanotrophs) can consume CH4 and therefore play a critical role in the mitigation of global warming. Here, a short-term, laboratory-based incubation experiment was conducted to examine the effects of cadmium (Cd) amendments on the abundance, community composition and oxidation potential of methanotrophs in a southern China paddy soil. The results showed that there were significantly lower methanotrophic oxidation potential
