微生物将湿地变成巨型电池,减少温室气体排放

湿地(包括泥炭地)中含有大量腐殖质(humic substances),腐殖质是生物质的不完全分解过程中形成的一种有机化合物。在缺氧条件下,土壤中的细菌在呼吸过程中可以利用这些有机化合物作为电子受体(electron acceptors)。许多生物(包括我们人类)都是使用氧作为电子受体。

上世纪90年代中期,研究人员发现,在土壤和沉积物中的一些厌氧微生物(如产甲烷菌)在缺氧条件下利用腐植类物质作为电子受体。但是,这些腐植类物质接受电子的能力有限。一旦达到其最大容量(就象电池被充满电的状态)时,在缺氧环境中的细菌又利用其他电子受体。如果利用二氧化碳作为电子受体,就能够产生大量的温室气体甲烷。全球排放到大气中的甲烷有15-40%是由湿地环境产生的。然而,许多湿地释放的甲烷量比基于它们的区域和其中的微生物的活性所预期的量少得到。这一发现表明,有一些自然过程参与了抑制甲烷气体的产生。发表在《自然地球科学》(Nature Geoscience)的一项研究中,研究人员揭示了一个参与抑制释放甲烷的过程。

在模型系统的帮助下,研究人员证明,如果将微生物所产生的带电子的腐殖物定期与氧气接触,腐殖物质接受电子的能力可以再生。在有氧条件下,带电荷的腐殖质可以释放他们在无氧条件下所接受的电荷。如果腐殖质再次处于缺氧环境,细菌可以再次利用他们作为电荷受体,从而减少传递到二氧化碳的电荷数量。在自然环境系统中,腐殖质定期在缺氧和有氧环境的转换过程可以抑制甲烷气体的产生。

微生物将湿地变成巨型电池,减少温室气体排放

在实验模型中,研究人员使用了Shewanella oneidensis MR-1细菌,这是一株从纽约的一个湖沉积物中分离到的细菌。该菌在实验室很容易培养,属于兼性厌氧菌,这意味着它在缺氧和有氧条件下都能生长。研究人员使用了四种不同的腐殖质作为电子受体。

这项研究结果有助于更好地理解在暂时缺氧的湿地环境中的碳的动态。腐殖质定期在缺氧和有氧环境的转换过程在自然状态下可能被放大,例如,在湿地中,腐殖质被水淹时处于缺氧状态,可以接受微生物的电荷受体。当水面下降时,腐殖质又处于有氧状态,其中的电荷被释放到氧中,又可以作为电荷受体。这些富含腐殖质的湿地环境就像一个巨大的电池,不断的进行充电和放电。这个充电和放电过程可以抑制甲烷气体的产生,并为减少全球温室气体的排放作出了巨大贡献。

参考文献:

Laura Klüpfel, Annette Piepenbrock, Andreas Kappler, Michael Sander. Humic substances as fully regenerable electron acceptors in recurrently anoxic environments. Nature Geoscience, 2014,7(3): 195-200. DOI: 10.1038/ngeo2084

    日期:2014年03月13日  分类:有益菌
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