甲烷是一种重要的温室气体，具有比二氧化碳更高的增温潜势，在全球碳循环及其引起的全球气候变化中扮演着至关重要的角色。由自然活动产生的甲烷具有相当可观的数量（每年约 2.5亿吨），其中湿地是最大的自然来源。多种环境因子均可影响湿地甲烷排放，其中广泛存在于自然界的导电矿物（如磁铁矿等含铁矿物）以及因人为活动干预而提高的氮沉降是两种重要的潜在因素。
我室“电微生物资源与微生物生态健康”团队近期研究了纳米磁铁矿对黄河三角洲湿地甲烷产生途径的影响及机理。为了更真实地模拟自然的原位环境，与以往采用单一的碳源不同，本研究以黄河三角洲湿地主要植物芦苇为碳源，结果发现纳米磁铁矿可在“小时”级别上显著提高湿地甲烷产生速率。借助自然丰度碳同位素分馏和13C示踪显示甲烷产生的提高主要来自二氧化碳还原的加快。综合利用热力学、电化学、模型分析等手段，以寻求产甲烷过程的还原力（是传统认为的氢气还是更加直接的电子？）。研究显示，甲烷主要来自“电子驱动的二氧化碳还原”，这是一种全新的甲烷产生途径。基于RNA水平的高通量测序分析，结果表明，具有向细胞外传输电子能力的细菌Geobacter与具有产甲烷能力的产甲烷古菌Methanosarcina可以通过耦联互营乙酸氧化和电子还原二氧化碳过程进而促进甲烷的产生(Xiao et al., Environmental Science: Nano, 2017, DOI:10.1039/C7EN00577F)。
这是该团队继前期发现并证实“电子驱动甲烷产生”机制(Energy & Environmental Science, 2012, 5, 8982)，发现纳米磁铁矿可补偿地杆菌Geobacter 菌毛c型细胞色素蛋白的功能(Environmental Microbiology, 2015, 17, 648–655)之后，本研究在湿地环境中发现了“电子驱动甲烷产生”现象，并解析了导电矿物对湿地甲烷产生途径的影响，为更进一步了解导电矿物参与下的湿地甲烷排放提供了新的认识。
另外，团队借助中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试验站，同韩广轩研究员团队合作，基于连续4年（2012–2016）模拟氮沉降处理，研究了大气氮沉降增加和间歇性淹水对滨海湿地甲烷排放的影响(Xiao et al., Science of The Total Environment, 2017, 595, 337-343)。研究显示铵态氮在全年均提高了甲烷排放。硝态氮虽然在淹水期对甲烷的排放具有一定的促进作用，但影响较小。通过分析不同氮沉降处理下原位古菌群落结构，研究表明铵态氮处理提高了Methanocellaceae丰度，这可能是甲烷通量提高的重要原因。本研究有助于我们认识滨海湿地甲烷排放对氮沉降增加和间歇性淹水的响应机制，并为准确预测氮沉降增加情景下滨海湿地甲烷的源汇强度提供理论支撑。
以上研究受到国家/省自然科学基金委，中国科学院“百人计划”，“山东省杰青”，“泰山学者青年专家”项目支持。
纳米磁铁矿加速“电子驱动产甲烷”过程
氮沉降对黄河三角洲滨海湿地甲烷排放影响
论文链接：
1. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/EN/C7EN00577F#!divAbstract
2. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969717308100
