濕地是溫室氣體甲烷(CH_4)和氧化亞氮(N2_O)的重要排放源之一，二者的升溫潛勢分別是二氧化碳(CO2)的25倍和310倍，對于全球氣候變化產(chǎn)生重要影響。微生物在人工濕地CH_4和N2_O的產(chǎn)生和消減中起到主要作用。在基質(zhì)厭氧區(qū)，有機物經(jīng)多級發(fā)酵降解產(chǎn)生CH_4，經(jīng)好氧/厭氧氧化成CO2或直接釋放。N2_O是在微生物硝化、反硝化過程中產(chǎn)生的，也可在微生物介導(dǎo)下進(jìn)一步還原為N2。

目前，CH_4氧化耦合反硝化過程關(guān)聯(lián)了三種溫室氣體之間的產(chǎn)生與消耗，然而其微生物學(xué)機制還存在爭議。CH_4可用作反硝化過程的碳源，N2_O是反硝化作用的中間產(chǎn)物，CH_4和N2_O的產(chǎn)生與釋放必定存在相關(guān)關(guān)系，但目前缺乏對二者的相關(guān)性研究。本研究從三種溫室氣體釋放的相關(guān)關(guān)系入手，探討了人工濕地中CH_4、CO2和N2_O的釋放規(guī)律，進(jìn)而通過小試試驗結(jié)合化學(xué)熱力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)了CH_4和N2_O的同步消減作用;通過在實驗室條件下微生物的長期富集培養(yǎng)，驗證了氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化過程，最終明確了氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化作用的影響因素及微生物學(xué)機制，該研究可為人工濕地中CH_4和N2_O的同步減排提供理論依據(jù)，對于完善全球碳氮循環(huán)具有重要意義。

主要研究成果如下：

(1)人工濕地中CH_4與N2_O的釋放通量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與CO2的釋放存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究構(gòu)建了底泥、沙土兩種類型基質(zhì)的表面流人工濕地小試系統(tǒng)，測定了系統(tǒng)的溫室氣體釋放情況，碳氮污染物去除效果及微生物群落結(jié)構(gòu)，分析了三種溫室氣體產(chǎn)生與釋放的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明底泥基質(zhì)中N2_O和CH_4的平均釋放通量顯著低于沙土基質(zhì)，CO2的平均釋放通量顯著高于沙土基質(zhì)。CH_4和N2_O的釋放通量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，但它們與CO2的釋放均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。CH_4和N2_O的釋放與疣微菌門的相對豐度存在顯著正相關(guān)關(guān)系，CO2的釋放與硫桿菌屬相對豐度存在顯著正相關(guān)性。兩種類型基質(zhì)的濕地系統(tǒng)對碳氮污染物均達(dá)到了較好的去除。底泥基質(zhì)中的反硝化作用更明顯，沙土基質(zhì)中COD的去除率更高。底泥基質(zhì)中微生物豐度高于沙土基質(zhì)，特別是硫桿菌屬的相對豐度較高，沙土基質(zhì)中藍(lán)藻細(xì)菌的相對豐度較高。

(2)人工濕地基質(zhì)中N2_O能夠抑制CH_4的產(chǎn)生并促進(jìn)CH_4的氧化，從而實現(xiàn)CH_4和N2_O的同步消減。本研究選取不同類型濕地基質(zhì)樣品，開展了不同類型濕地基質(zhì)中CH_4和N2_O的產(chǎn)生和釋放研究，結(jié)合穩(wěn)定同位素示蹤和宏基因組測序技術(shù)，闡明了CH_4和N2_O的同步消減過程和微生物響應(yīng)機制。N2_O抑制了產(chǎn)甲烷菌的表達(dá)活性。在小湄河、白云湖人工濕地中檢測到CH_4和N2_O的同步消減現(xiàn)象，添加N2_O的實驗組在48 h釋放的CH_4比對照組分別減少了58.96%和72.90%。通過短期培養(yǎng)和同位素示蹤技術(shù)進(jìn)一步分析N2_O對CH_4氧化的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加N2_O促使甲烷氧化菌的表達(dá)活性提高了1.1倍，C02產(chǎn)生速率是對照組的1.45倍，N2_O促進(jìn)了3.41 mmol CO2/g干重/d的CH_4氧化。通過吉布斯自由能計算驗證了N2_O還原與CH_4氧化的反應(yīng)過程從熱力學(xué)角度是可行的，宏基因組測序注釋出了完整的甲烷氧化路徑。

(3)提出并驗證了氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化過程，氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化是一種氧化亞氮還原耦合內(nèi)部好氧的甲烷氧化過程。本研究在缺氧條件下運行了富集培養(yǎng)反應(yīng)器，利用CH_4和N2_O作為主要碳源、能源和氮源，富集培養(yǎng)了小湄河人工濕地底泥基質(zhì)，分析了不同階段的微生物群落結(jié)構(gòu)變化，提出并驗證了氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過500天的富集培養(yǎng)，甲烷氧化菌功能基因pmoA和反硝化菌功能基因nosZ的豐度分別增加了38倍和8倍。甲基球菌目中的甲基暖菌屬成為相對豐度最高的甲烷氧化菌，紅環(huán)菌目中的陶厄氏菌屬成為相對豐度最高的反硝化菌。穩(wěn)定同位素示蹤實驗直接證實了N2_O和CH_4的同步消減是氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化過程，此過程是一種N2_O還原耦合內(nèi)部好氧的CH_4氧化過程。

(4)明確了氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化作用機理為甲烷氧化菌和反硝化菌的協(xié)同作用，并解析了其影響因素。本研究采用厭氧培養(yǎng)瓶，通過設(shè)定不同的進(jìn)氣比和溫度條件，確定了碳氮消耗比值和CO2產(chǎn)生速率，解析了相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)、表達(dá)活性和功能，闡明了氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化作用的影響因素及微生物學(xué)機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高N2_O比比值條件(nN2_O：nCH_4=2：1)下富集培養(yǎng)效果優(yōu)于低N2_O比比值(1：1)，低濃度N2_O比比高濃度N2_O更有利于發(fā)生氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化作用，實際CH_4與N2_O消耗量的比值為76：1，CO2產(chǎn)生速率在前12h較高，最高可達(dá)1.08μmol/L。氧化亞氮驅(qū)動型甲烷氧化過程為甲烷氧化菌和反硝化菌的協(xié)同作用。20℃C有利于N2_O的還原，35℃C有利于CH_4的氧化。好氧甲烷氧化菌可以消耗CH_4作為碳源和能源，反硝化菌利用其釋放的有機中間體作為電子供體來還原N2_O。