（环境工程专业论文）填埋场终场覆盖层甲烷氧化行为及其影响因素的实验研究.pdf

申请同济大学t 鞭t 学位论文摘要 摘要 甲烷( c f l 4 ) 是一种重要的温室气体，其增温效能是c 0 2 的2 l 倍；c h 4 对全 球温室效应的综合贡献达到2 2 ，仅次于c 0 2 。随着城市化发展与人类生活水 平的提高，生活姑圾填埋场已日益成为重要的c h 4 释放源。垃圾填埋场也是我 国甲烷气体的重要排放源，中国作为旨在抑制全球变暖和气候变化的京都议定 书( 已于2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效) 的签约国，控制垃圾填埋场的c h 4 释放 是我国履行减少温室气体排放义务的一个重要方面。因此找到一种经济高效的减 少填埋场c h 4 排放的方法显得十分必要。 国外对于填埋场终场覆盖层的甲烷氧化行为的研究表明，填埋场终场覆盖层 作为大气中0 2 与填埋气的动态混合区域，其中的甲烷氧化菌可以在适当的环境 条件下将c h 4 辐七成c 0 2 、水和生物质，从而减少甚至完全消除填埋场的甲烷 释放。 本研究以杭州天子岭生活垃圾填埋场终场覆盖层土壤为研究对象，首先研究 了不同性质和覆盖龄的终场覆土的甲烷氧化能力的差异；继而选用其中甲烷氧化 能力最强的土壤，采用模拟柱实验方法对填埋场覆盖层的甲烷氧化行为进行模拟 研究和同时也作为甲烷氧化菌群培养过程，考察了覆盖层内各气体组分的分布规 律及其与层内甲烷氧化的相互关系，比较了各层土壤的甲烷氧化强度，监测分析 了甲烷氧化的时间变化规律，同时通过物料衡算，探讨了甲烷氧化的途径和生物 质转化情况；随后研究了水分和氨氮投加情况对模拟柱出柱土壤的甲烷氧化能力 的影响。 实验结果表明：土质差别对土壤的甲烷氧化速率有很大影响：在其他环境条 件相似的情况下，粘性大的覆土由于气体传质阻力较大，限制了c h 4 和0 2 的可 利用性，从而其甲烷氧化速率会比粘性小的土壤低；填埋场封场后期由于甲烷气 产率的下降，终场覆土内的甲烷氧化菌的活动强度也大为减弱。 覆土层的甲烷氧化活动和其中氧气的分布有显著的交互影响：模拟柱内0 3 0 c m 存在很强的甲烷氧化活动，其中1 0 2 0 c m 处最为强烈；而3 0 - - 5 0 c m 处由 删可济大学工学硕上靴敝摘要 于0 2 被上部的甲烷氧化活动消耗殆尽，甲烷氧化活动受到很大抑制；同时顶部 通风强度对覆土层内的气体分布和甲烷氧化活动的分布有显著影响：加大顶部通 风流量可以使0 2 的渗透能力增强，从而可以使覆土更深层区间的甲烷氧化菌群 在得到0 2 供给的条件下得以激活，加大甲烷氧化活动区域，从而提高整个覆土 层的甲烷氧化效率。 甲烷氧化菌在底物暂时中断的情况下能够持续存活，并且在恢复底物供应后 能迅速恢复活性，此特性对适应填埋场产生l f g 的时间和空间上的不均匀性有 重要应用价值。此外，本实验甲烷氧化后转化为二氧化碳的比例为0 5 1 ，其余的 碳为微生物所固定，且覆土层存在其他好氧微生物的氧气消耗和自生固氮菌对空 气中n 2 的固定。 氨氮的投加对甲烷氧化没有表现出明显的抑制作用；低含水率( 5 ) 下土壤的 甲烷氧化活动几乎停止，甲烷氧化最适含水率为1 5 ；含水率相对氨氮而言，是 影响填埋场覆土甲烷氧化活动的主要因素。 【关键词】填埋场；终场覆土；甲烷氧化；模拟柱；土壤性质；含水率；氨氮 a bs t r a c t m e t h a n e ( c n 4 ) i so n ek i n do fi m p o r t a n tg r e e n h o u s eg a s ，i t sw a r l t lp o t e n c yi s2 1t i m e s t h a nc 0 2 ；c h 4t ot h eg l o b a l g r e e n h o u s ee f f e c ts y n t h e s i sc o n t r i b u t i o na c h i e v e s 2 2 ，o n l yi n f e r i o rt oc 0 2 a l o n gw i t ht h eu r b a n i z e dd e v e l o p m e n ta n dt h eh u m a n i t y l i v i n gs t a n d a r de n h a n c e m e n t ，m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m sw ) l a n d f i l lh a sd a yb yd a y b e c o m et h ei m p o r t a n tc h 4e m i s s i o ns o u r c e m s wl a n d f i l li sa l s oa ni m p o r t a n t m e t h a n ed i s c h a r g e ss o u r c ei no u rc o u n t r y , a sf o rt h ep u r p o s eo fs u p p r e s s i n gt h ew h o l e w o r l d sw a r mc l i m a t i cc h a n g e s ”t h ek y o t op r o t o c o l ”( o f f i c i a l l yb e c o m e se f f e c t i v et o f e b r u a r y16 t h ，2 0 0 5 ) ，c h i n aa so n es i g n i n gt r e a t yc o u n t r y , t oc o n t r o lc h 4e m i s s i o n f r o mm s wl a n d f i l li so n ei m p o r t a n ta s p e c tt of u l f i l l st h ed u t yo fr e d u c et h e g r e e n h o u s eg a sd i s c h a r g e so fo u rc o u n t r y t h e r e f o r e ，t of i n do n ee c o n o m i c a la n d p r o f i c i e n tm e t h o df o rt h er e d u c t i o no fc h 4d i s c h a r g e sa p p e a r se x t r e m e l ye s s e n t i a l a b r o a dr e s e a r c ho nt h em e t h a n eo x i d a t i o nb e h a v i o ro fl a n d f i l lc o v e rs o i li n d i c a t e s t h a ta st h ed y n a m i cm i xr e g i o no fl a n d f i l lg a s ( l f g ) a n d0 2i nt h ea t m o s p h e r e ，t h e f i n a ll a y e ro fc o v e rs o i lh a st h ef u n c t i o no fm e t h a n eo x i d a t i o nu n d e rt h es u i t a b l e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n ，t h ec o n t a i n e dm e t h a n o t r o p h i cc o m m u n i t yc a no x i d a t et h e c h 4t oc 0 2 ，w a t e ra n db i o m a s s ，t h u sr e d u c e se v e nc o m p l e t e l ye l i m i n a t e st h em e t h a n e e m i s s i o nf r o mm s wl a n d f i l l t h i sr e s e a r c ha i m sa tt h ef i n a lc o v e rs o i l so fh a n g z h o ut i a n z i l i n gm s wl a n d f i l l ， f i r s t l ys t u d i e dt h em e t h a n eo x i d a t i o na b i l i t yd i f f e r e n c eo ft h es o i l sw h o h a v ed i f f e r e n t p r o p e r t i e sa n dc o v e ra g e ；s u b s e q u e n t l ys e l e c t e dt h es o i lw i t ht h es t r o n g e s tm e t h a n e o x i d a t i o na b i l i t y , u s e dt h es i m u l a t i n gc o l u m nt os t u d yt h em e t h a n eo x i d a t i o nb e h a v i o r o fl a n d f i l lf i n a lc o v e rs o i la l s oa sa ni n c u b a t i o np r o c e s sf o rm e t h a n eo x i d a t i o nb a c t e r i a ( m e t h a n o t r o p h i cc o m m u n i t y ) ，i n s p e c t e d t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fv a r i o u sg a s c o m p o n e n ti nt h ec o l u m na n di t sr e l a t i o n s h i pw i t ht h em e t h a n eo x i d a t i o ni ne a c hs o i l l a y e r , c o m p a r e dm e t h a n eo x i d a t i o ni n t e n s i t yo fe a c hl a y e r , m o n i t o r e dt h em e t h a n e o x i d a t i o nc a p a c i t yo ft h ew h o l ec o l u m na l o n gw i t ht h et i m e ，s i m u l t a n e o u s l yt h r o u g h i i i c a l c u l a t i o no fm a t e r i a lb a l a n c e ，d i s c u s s e dt h ea p p r o a c ho fm e t h a n eo x i d a t i o na n dt h e t r a n s f o r m a t i o nt ob i o m a s s ；a f t e r w a r d ss t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h em o i s t u r ec o n t e n t a n dt h ea m m o n i u ma d d i t i o no nt h em e t h a n eo x i d a t i o nc a p a c i t yo ft h es o i lo u t g o i n g t h ec o l u m n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e s ：t h es o i lt e x t u r ed i f f e r e n c eh a sas i g n i f i c a n t i n f l u e n c et ot h es o i lm e t h a n eo x i d a t i o nv e l o c i t y ：u n d e ro t h e rs i m i l a re n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s ，t h es o i lw i t hs t r o n g e rc o h e r e n c yl i m i t e dc h 4 a n d0 2u s a b i l i t yb e c a u s et h e g a st r a n s f e rr e s i s t a n c ei sb i g g e r , t h u si t sm e t h a n eo x i d a t i o nv e l o c i t yc o u l db el o w e r t h a nt h es m a l lc o h e r e n ts o i l ；t h eb a c t e r i aa c t i v i t yi n t e n s i t yi n s i d et h ef i n a lc o v e rs o i l w e a k e n sg r e a t l ya sar e s u l to ft h em e t h a n ep r o d u c t i o nr a t ed r o pi nt h el a t e rp e r i o d a f t e rt h ec l o t u r e t h em e t h a n eo x i d a t i o na c t i v i t yi nt h ec o v e rs o i lh a sa ni m p o r t a n ti n t e r a c t i o nw i t ht h e d e p t hp r o f i l eo f0 2i nt h ec o l u m n ：i nt h es i m u l a t i n gc o l u m n ，t h el a y e ro - 3 0 c me x i s t v e r ys t r o n gm e t h a n eo x i d a t i o na c t i v i t y , a n d 10 2 0 c mi sm o s ti n t e n s e ；b u ta t3 0 v 5 0 c m ，t h em e t h a n eo x i d a t i o na c t i v i t yr e c e i v e sav e r ys t r o n gs u p p r e s s i o nb e c a u s e0 2 i s c o n s t a n t l yc o n s u m e db yt h eu p s i d em e t h a n eo x i d a t i o na c t i v i t y ；s i m u l t a n e o u s l y , t h e i n t e n s i t yo ft h et o pa e r a t i o nh a sar e m a r k a b l ei n f l u e n c eo nt h ed e p t hp r o f i l eo fg a s d i s t r i b u t i o na n dm e t h a n eo x i d a t i o n ：e n l a r g e st h et o pv e n t i l a t e sm a ym a k e0 2s e e p d e e p e r ，t h u sm a yc a u s et ot h ea c t i v a t i o no fd e e p e rm e t h a n o t r o p h i cc o m m u n i t yi n o b t a i n st h e0 2s u p p l i e s ，e n l a r g e st h em e t h a n eo x i d a t i o nr e g i o n ，t h u se n h a n c e st h e m e t h a n eo x i d a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ee n t i r ec o v e rs o i l t h em e t h a n eo x i d a t i o nb a c t e r i ac a nc o n t i n u et os u r v i v ei nt e m p o r a r i l ys e v e r si nt h e s u b s t r a t e ，a n da f t e rr e s t o r e st h es u b s t r a t es u p p l y , i tc a nr a p i d l yr e s t o r et h ea c t i v e n e s s ； t h i sc h a r a c t e r i s t i ch a sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u et oa d a p tt h et i m ea n ds p a t i a l n o n u n i f o r m i t yo fl f gg e n e r a t i o ni nt h el a n d f i l ls i t e i na d d i t i o n ，i nt h i se x p e r i m e n t ， t h et r a n s f o r m a t i o nr a t i oo fm e t h a n eo x i d a t i o nt oc a r b o nd i o x i d ei s0 51 ，o t h e rc a r b o n i sf i x e db ym i c r o o r g a n i s m ，t h ec o v e rs o i la l s oe x i s t so t h e ro x y g e nc o n s u m p t i o nb y o t h e ra e r o b i cb a c t e r i aa n ds o m en 2f i x a t i o nb ys o m ea u t o g e n yn i t r o g e nf i x i n g b a c t e r i a i v 删司济人学t 灏七靴敝 t h ea m m o n i u ma d d i t i o nh a sn o td i s p l a y e dt h eo b v i o u s i n h i b i t o r yt ot h em e t h a n e o x i d a t i o n ；u n d e rl o wm o i s t u r ec o n t e n t ( 5 ) t h es o i lm e t h a n eo x i d a t i o na c t i v i t y n e a r l ys t o p s ，t h e m e t h a n eo x i d a t i o nm o s ts u i t a b l em o i s t u r ec o n t e n ti sl5 ；t h e m o i s t u r ec o n t e n ti st h ep r i m a r yf a c t o rw h oi n f l u e n c et h em e t h a n eo x i d a t i o na c t i v i t yi n t h ec o v e rs o i lc o m p a r i n gt oa m m o n i u ma d d i t i o n k e yw o r d s ：l a n d f i l l ；f i n a lc o v e rs o i l ；m e t h a n eo x i d a t i o n ；s i m u l a t i n gc o l u m n ；s o i l p r o p e r t i e s ；w a t e rc o n t e n t ；a m m o n i u m v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e l jj i l l 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 本论文不愿意加入任何数据库。 学位论文作者签名：辛匆待 加醇年占月乡0e l 经指导教, ) l in 意，本学位论文属于保密，在五年后解密适用本授 权书。 指导教师签名： 融学位论文作者签名：扬秀 掀年月弓。e t硝年彦月多9e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：杨琦 么西年8 月乡d 日 一敝 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 近几十年来，温室效应所导致的全球性气候变化和生态问题已经成为人类面临 的一个严重的威胁。甲烷( c h 4 ) 是一种重要的温室气体，其增温效能是c 0 2 的2 l 倍；c h 4 对全球温室效应的综合贡献达到2 2 ，仅次于c 0 2 f 1 i ；c h 4 还是大气层温 室气体中年增长率最快的一种【2 1 。因此，加强对c h 4 排放的控制成为抑制全球变暖 的一个重要方面。除湿地、水田等传统的c h 4 排放源以外，随着城市化发展与人类 牛活水平的提高，生活垃圾填埋场也已日益成为重要的c h 4 释放源。有报道指出， 近年来从垃圾填埋场排放的c h 4 量在2 0 - - - 7 0 t g 年 3 1 ，占全球c h 4 总排放量的比例 已上升至1 2 - - - , 2 0 1 4 1 。垃圾填埋场也是我国甲烷气体的重要排放源【5 1 ，中国作为 旨在抑制全球变暖和气候变化的京都议定书( 已于2 0 0 5 年2 月1 6 日正式牛效) 的签约国，控制垃圾填埋场的c h 4 释放是我国履行减少温室气体排放义务的一个重 要方面，因此找到一种经济高效的减少填埋场c h 4 排放的方法显得十分必要。 通过毹：道系统主动收集和利用填埋气( l f g ) 是控制生活垃圾填埋场c h 4 释放 的有效方法；然而l f g 收集和利用系统造价昂贵，对于中小型填埋场经济上缺乏可 行性；同时，封场后填埋场的c h 4 产牛强度逐步降低，主动收集系统效率也会随之 降低，甚至不能正常运行 6 1 。在这些情况下，强化利用填埋场终场覆盖层土壤的甲 烷氧化能力是控制甲烷释放的一种经济和高效的手段。国外对于填埋场终场覆盖层 甲烷氧化行为的研究表明，填埋场终场覆盖层作为大气中0 2 与l f g 的动态混合区 域，其中的甲烷氧化菌可以在适当的环境条件下将c 转化成c 0 2 、水和生物质， 从而减少甚至完全消除填埋场的甲烷释放1 7 j 。 1 2 研究背景 1 2 1 甲烷与温室效应 地球表面的增温效应称为温室效应，可以吸收红外线而产生温室效应的气体成 分称为温室效应气体或温室气体【s 】f 9 1 。大气中含量最高、温室效应最强的气体成分 删司济煳：学硕十学位敝第一章绪论 是水汽。水汽在大气中浓度介于千分之一到百分之一之间，因其变化无常，而且对 于大气来说，存在一个巨大的自然源一占地表7 0 的海洋，所以，大气水汽的变化 对人为影响很不敏感，所以人们在讨论温室效应增强时通常把水汽排除在外。除水 汽以外的温室气体主要包括二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、氧化亚氮( n 2 0 ) 、臭氧( 0 3 ) ， 氟里昂或氯氟烃类化合物等l l q 。 甲烷是一种非常重要的温室气体，因为甲烷浓度有增加的明显趋势，且它具有 强烈的红外吸收和辐射作用，而且甲烷吸收和发射谱带的区域在长波范围内，这个 区域的光波c 0 2 和水蒸汽不吸收。另外甲烷的增温潜能是c 0 2 的2 l 倍，据计算， 全球温度升高的2 0 来源于甲烷的贡献【引。研究表明，现在的c h 4 浓度不仅是人类 有史以来的最大值，而且其增加速率在过去也是没有过的。根据冰芯气泡的分析结 果，大气中的甲烷是从1 8 世纪中叶开始增加的，工业化革命前大气甲烷浓度大约足 0 7 p l l ，而1 9 9 4 年甲烷浓度是1 7 2 1 a i l t l 2 1 1 1 3 1 1 4 1 ，与工业化荸命前相比，年递增牢 为l o p p b v 15 1 。据i p c c ( 1 9 9 5 ) 预测，目前甲烷浓度以0 8 的年递增率增加【1 5 i ，可见 甲烷浓度的增加趋势是明显的。 地球上的人类牛存环境是在处于自然平衡态的温室效应条件下长期演变形成 的，一旦这种自然平衡态被破坏，取代以更强温室效应条件下的新的平衡态，地表 生态环境也必然要发生相应变化，以适应新的平衡态，而这种变化有可能在一定程 度上威胁人类及其他牛物物种的生存【16 1 1 7 1 。 1 2 2 垃圾填埋场的甲烷释放与氧化 近年来，随着城市化发展与人类牛活水平的提高，生活垃圾填埋场也已日益成 为重要的e l l , 释放源。有报道指出，近年来从垃圾填埋场排放的c h 4 量在2 0 - - 一7 0 t g 年，占全球c h 4 总排放量的比例已上升至1 2 - - 2 0 。 在中国，填埋场的甲烷释放( 通过作业区表面和封场区终场覆土的释放) 也已 成为大气甲烷的一个非常重要的源。图1 1 所示为典型的填埋场温室气体释放示意 图，可以看出有三种释放渠道：1 1l f g 的侧溢2 ) l f g 穿透顶部覆土的直接释放3 ) 部分c 1 - 1 4 在通过覆土层时被氧化，一部分碳素转化为生物质，而另一部分转化为 2 。一。，一。 c 0 2 排放。可见，若l f g 中的甲烷尽可能多地被覆上氧化而转化为c 0 2 ，则总释放 气体的增温潜能会大幅下降，起到了温室气体减排的作用。 圈i - i 填埋场甲烷释放示意田 f i gi ld i a g r a mo f m e t h a ee m i s s i o no f l a n d f i l l 1 2 3 甲烷氧化菌与甲烷氧化的微生物学过程 i 2 3 1 甲烷氧化茸 ( i ) 甲烷氧化菌简彳r 图j - 2 为甲烷氰化苗_ i 意图。甲烷氧化菌是甲基氧化 茁的一个分支，其j ! j i 特之处在干其能利用甲烷作为唯的 碳源和能源【“1 9 。l p 烷氧化茼的定义特征是含有_ 甲烷 睢氧蛹( m m o ) 催化甲烷氧化为甲醇。甲烷氧化菌氧化甲烷 生威c o z 并在此过程中获得巾长所需的能量。第步 m m o 将甲烷活化牛成甲醇，甲醉进一步氧化为甲醛， 圈l _ 2 甲烷氧化茁示意图 甲醛再同化为细胞牛物量或通过甲酸氧化为c 0 2 ， f i & 卜2 t h 卸。t r o p h i cb 8 c t e r i 8 经过一系列的脱氯反应牛成c 0 2 重新叫到大气的碳 序中，即甲醇甲醛甲酸盐c 0 2 川吲。 甲烷氧化菌于t 9 0 6 年茸次被分离出来。1 9 7 0 年w h i t e n b u r y 用i 他的蚓事分离和 世拶申请i 卅济大学工学硕十学位论文第一章绪论 鉴定了1 0 0 多种利用甲烷细菌，奠定了现代甲烷氧化菌分类的基础。根据形态、g c 、 代谢途径、膜结构、主要磷脂酸成分等系列特征，可将甲烷氧化菌分为二种：i 型 和i i 型：i 型甲烷氧化菌利用5 磷酸核酮糖途径( r u m pp a t h w a y ) 同化甲醛，主要含 1 6 一c 脂肪酸，胞内膜成束分布。i i 型菌同化甲醛的途径是丝氨酸途径( s e r i n e p a t h w a y ) ，其占优势脂肪酸为1 8 一c 脂肪酸，胞内膜分布于细胞壁的周围。另外，人 们将一类类似于m e t h y l o c o c c u sc a p s u l a t u s 的甲烷氧化菌归为x 型。和i 型一样，x 型利用r u m p 途径同化甲醛。x 型和i 型不同之处在于x 型含有低水平的丝氨酸途 径酶，他们的生长温度比l 型和i i 型高，其d n a 的g c 比大多数的i 型高。另外 i i 型菌和x 型菌能固氮，而大多数i 型菌却不能【2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 甲烷氧化菌的特征酶是催化第一步反应的甲烷单氧酶( m e t h a n e m o n o o x y g e n a s e ，m m o ) ，有两种不同的类型：颗粒状或膜结合甲烷单氧酶( p a r t i c u l a t e m e t h a n em o n o o x y g e n a s e ，p m m o ) 和可溶性甲烷单氧酶( s o l u b l em e t h a n e m o n o o x y g e n a s e ，s m m o ) 。虽然它们在细胞内具有相似的功能，彳日这两种酶的基因和 结构都不相同。s m m o 比p m m o 和其他的氧化酶具有更广泛的底物专一性。p m m o 除了氧化甲烷外，只能氧化一系列短链化合物；而s m m o 能氧化非常多的烷、烯、 芳香族化合物。而且s m m o 降解部分化合物的能力比p m m o 强，如s m m o 氧化三 氯乙烯( t c e ) 的速率是p m m o 的2 5 0 倍【2 2 】；s m m o 的这一特性在清除有机污染物方 面具有很大的应用潜力【2 5 1 1 2 6 11 2 7 】1 2 8 1 。 值得注意的是：甲烷氧化菌和另外一种自养菌一氨氧化菌在氧化底物方面具有 相似之处。两种细菌都能氧化甲烷和氨，然而它们只能分别从氧化甲烷和氨中获得 能量。p m m o 在进化上和氨氧化单氧酶( a m m o n i am o n o o x y g e n a s e ，a m o ) 密切相关。 他们有高度相似性的氨基酸序列、相似的蛋白复合体结构、广泛相似的底物和相似 的被抑制的特性。基于不同的竞争性抑制剂对两种氧化菌的作用不同，人们设计出 各种方案对自然环境中两种氧化菌在氧化甲烷和氨的相对作用大小进行评估，结果 表明：甲烷氧化菌除氧化甲烷外亦对氨氧化有较大的贡献，而氨氧化菌对甲烷氧化 的作用并不显著2 9 i 3 0 i 。 4 申请同济人学工学硕士学位赦第一章绪论 ( 2 ) 甲烷氧化菌的生态分布 运用富集培养和现代分子生物学手段，人们从农田、森林、草地、垃圾填埋场、 湖泊、沼泽、地下水、海洋等各个环境中的土壤或水样中检测到甲烷氧化的存在【3 1 1 1 3 2 1 。现存的甲烷氧化菌大多数为嗜中性菌，但在许多极端环境中如高温、高酸碱、 高盐的条件下也检测到专性甲烷氧化菌的存在。为了在极端条件下存活，甲烷氧化 菌发展了各种结构一功能适应性机制。有研究者认为，极端环境中甲烷氧化菌的生 理作用是参与甲烷循环和为环境中别的微牛物区系提供碳中间物和各种代谢底物【3 3 】 1 3 4 1 。大多数甲烷氧化菌具有休眠状态，一些甲烷氧化菌的外生孢子和孢囊在干旱和 营养缺乏的环境下似乎适应和存活得很好。 i 型和i i 型甲烷氧化菌在环境中的分布并不相同：i 型甲烷氧化菌在允许氧化菌 快速牛长的环境中占优势，而i i 型菌在贫营养环境下能存活的更好从而有较广泛的 分布。r o s l e v1 3 5 1 发现一种i 型甲烷氧化菌在甲烷缺乏和缺氧条件f 能存活6 周并且 在加入甲烷和氧气时数小时内恢复对甲烷的氧化。h a n s o n1 3 6 1 总结了前人的研究结果 认为：虽然有机质含量多的土壤可能会有利于i l 型菌的牛长，仳甲烷、氧气及结合 态氮( c o m b i n e dn i t r o g e n ) 的浓度才是环境中两种类型甲烷氧化菌分布的决定性因素。 大气中甲烷的微牛物氧化丰要发牛在相对较浅的次表层土壤，通常是5 1 0 c m 深，此深度土壤里甲烷氧化菌数量最大，活性也最强。甲烷需要从大气扩散到这个 土层才能达到最大氧化速率，而扩散通量主要由土壤的透气性所控制。土壤的性质、 含水量、土壤表面植被种类及覆盖物厚度等因素决定了土壤透气性。测量土壤里c h 4 的氧化，发现部分甲烷同化为微生物生物量，即使在大气的低浓度甲烷也如此。甲 烷氧化产物在土壤里短暂的停留对土壤碳库的碳循环具有重要意义【3 7 11 3 引1 3 9 1 。 1 2 3 2 甲烷氧化的微生物学过程 从土壤中分离出甲烷氧化细菌开始，对甲烷氧化菌的研究已经有几十年的历史， 然而土壤氧化甲烷的重要作用直到最近才受到重视。从此，甲烷氧化在许多类型土 壤里被观察到，不同土壤几乎都具有甲烷氧化能力。 土壤甲烷氧化主要是由甲烷氧化细菌完成的，因为灭菌处理的土壤没有甲烷氧 删司济大学工学硕士学位敝轳漳绪论 化能力【4 0 1 ( 4 。甲烷的微生物消耗作用不仅能限制许多甲烷源的排放通量，而且是大 气甲烷的一个非常重要的汇。此外甲烷氧化细菌还能参与其它一些重要的牛态过程。 甲烷的微生物消耗可以分为好氧氧化和厌氧氧化，目前对厌氧氧化过程的了解还不 够深入。 甲烷的好氧氧化过程是由甲烷氧化菌来完成的，甲烷氧化菌是一种专性好氧菌， 它以甲烷为唯一的碳源和能源，在自然环境中广泛分布【1 8 1 【2 们。甲烷氧化菌在甲烷单 氧化酶的作用下将产生的甲烷氧化生成甲醇，然后再氧化为甲醛和甲酸，最终产物 为二氧化碳，其反应方程式为： c h 4 + n a d h + h + 0 2 一- c h 3 0 h + n a d + h 2 0 c h 3 0 h + p q q h c h o + p q q h 2 h c o h - 。n a d + h 2 0 一- h c o o h + n a d h + h h c o o h + n a d c 0 2 + n a d h + h 催化反应l 的酶是甲烷氧化单氧酶，用甲烷甲基单菌和氧化甲烷甲基单菌试验 结果表明，产牛甲醇所需的氧来自氧气，而不是水分了。 在自然界中，甲烷的好氧氧化在好氧和厌氧的交界面处最为活跃，这是因为这 里是甲烷从厌氧层向好氧层扩散的区域，并且具有最高的甲烷浓度。例如稻田甲烷 的氧化主要发生在水稻根部区域及0 - 1 c m 表层土壤【4 2 】 4 3 1 。 1 2 4 影响甲烷氧化的主要因素 国外学者对土壤的甲烷氧化已经进行过一定的研究，研究结果表明土壤的甲烷 氧化主要有如下所列一些影响因素。 l 241 底物m 1 1 4 5 1 4 6 1 甲烷是甲烷氧化细菌生长代谢的唯一能源及碳源，在所有土壤中( 湿地和旱地) ， 甲烷浓度可能是控制甲烷氧化速率的重要因素。很多研究结果表明，土壤氧化甲烷 的速率随甲烷浓度的升高而增加。在湿地土壤中，许多研究者发现甲烷氧化的最大 6 缈申请同济大学工学硕士学位论文第一章绪论 速率总是发生在好氧厌氧交界处具有最高甲烷浓度的区域i 并且有报道显示，某些 情况下扩散进好氧表层中的甲烷甚至可以全部被消耗掉，这些说明甲烷总消耗可能 主要受到甲烷产生和甲烷向上扩散速率的控制。在旱地土壤中，甲烷供给受到大气 甲烷的低浓度及气体扩散屏障的限制，以当前的大气甲烷浓度计算，甲烷在土壤溶 液中的溶解度只有2 5 n m ，而甲烷氧化作用的k m 值在1 7 - 7 5 9 m 之间，可见土壤甲 烷浓度远远低于甲烷氧化的k m 值，这提示我们土壤中甲烷氧化细菌活性受到甲烷 供给的强烈限制。m a n m 和r a l f 研究了甲烷浓度对草甸、森林、耕地及稻田等不同 类型土壤甲烷氧化作用的影响，结果表明一个活跃的甲烷氧化细菌群的形成需要充 足的甲烷，当土壤被培养在1 0 0 1 0 0 0 9 l l 以上的甲烷中时，所有土壤样品中甲烷氧 化细菌和甲烷氧化活性都明显上升。因此，虽然新鲜田间土壤通常仅表现出较低的 甲烷氧化活性，f u 是其具有显著的甲烷氧化潜势，一旦被暴露于高浓度的甲烷中时， 甲烷氧化能力便会有显著的提高。 1 2 4 2 氧气m l 【4 7 i 【4 8 j 甲烷有氧氧化是专性好氧过程，土壤中任何涉及氧气扩敞的因素都可能影响甲 烷的氧化速率，在旱地土壤中，土壤水分及结构是影响甲烷和氧气扩散的重要因素， 结构紧密和高土壤含水量会限制甲烷和氧气的传输从而降低甲烷的氧化，随着土壤 含水量的升高，甲烷消耗速率通常下降，甚至在微生物活性上升时也如此，但是对 于旱地土壤而言，由于大气中甲烷为微生物氧化的底物来源，其浓度远远低于微生 物的利用能力，因此限制气体扩散将首先在更大程度上限制甲烷的供给，氧气不可 能是甲烷消耗的丰要因素。然而，在湿地土壤中情况可能非常不同，不仅亚表层厌 氧区可以供给高浓度的甲烷，而且由于氧气缓慢的扩散速率和在土壤中快速的消耗 而使氧气的可供给性受到限制，从而改变了甲烷和氧气限制作用的相对重要性，在 这里氧气供给成为控制甲烷消耗的重要因素。 1 2 4 3 土壤水分状况【4 9 】 5 0 1 5 1 1 【5 2 j 【5 3 】 土壤水分状况既影响甲烷氧化微生物本身的活性，又影响基质扩散和渗透压。 土壤氧化甲烷有一个最佳的水分范围，在土壤水分含量低于最佳值时，微生物的生 长和氧化酶活性受到限制，使甲烷氧化能力降低。风干抑制甲烷氧化菌的活性，而 巡缈申请同济人学工学硕七学位论文第一章绪论 高于最佳含水量时，甲烷和氧气在土壤中的扩散受到限制，由于底物的供应受阻而 降低甲烷氧化能力。不同来源和自然类型的土壤，增加水分含量对其甲烷氧化所造 成的影响可能不同。沙漠土壤常常处于干旱状态，微生物的活性因为受到水分的限 制而不能充分发挥，因而降雨促进甲烷的吸收。而在湿润的温带森林土壤，降雨后 甲烷氧化能力反而会下降。 1 2 4 4 氮肥【5 l 】 s 2 l 【5 3 】【s 4 1 【5 5 】【5 6 】【5 7 】【5 8 】 目前普遍认为氮肥使用会减少土壤消耗甲烷的能力，s t e u d l e r 对温带森林系统 的研究结果认为氮肥的使用使土壤甲烷氧化能力降低3 3 ，美国东北部温带森林土 壤使用氮肥可能减少土壤对大气甲烷氧化能力的3 0 一6 0 ，s i t a u l a 等在排水采集器 上的研究表明，每年使用3 0 k g n h m 2 的硝酸铵的土壤对甲烷氧化速率降低3 8 左右。 然而，氮肥对土壤甲烷氧化的抑制作用因氮肥品种不同而异，对英国洛桑试验站长 期试验地土壤的分析表明，土壤在施用氨态氮肥后，失去了大部分甲烷氧化能力， 即使在停止施用氨态氮肥3 年后，土壤仍没有完全恢复对甲烷的氧化能力。而在洛 桑试验站的试验还表明，硝态氮施用后土壤对甲烷氧化作用与不施用氮肥的对照没 有显著差异，对施用尿素的灌木林沼泽地甲烷氧化能力的观测结果表明，施用尿素 的土地对甲烷氧化能力显著低于不施用氮肥的对照。 值得注意的是，为提高氮肥利用率而伴随使用的各种硝化抑制剂对土壤甲烷氧 化能力有强烈的抑制作用，硝化抑制剂在抑制氨硝化的同时，也抑制甲烷的氧化， 事实上一些硝化抑制剂如乙炔也经常用于抑制甲烷氧化的研究。氮肥对土壤氧化甲 烷的抑制作用可以表现为短期效应和长期效应两方面，前者指加入的氮在土壤溶液 中消失之前对甲烷氧化的抑制作用，后者是指氮素在土壤溶液中消失后仍然对甲烷 氧化的抑制作用。不同氮肥品种对甲烷氧化的长期效应和短期效应有所不同，各种 形态的氮肥，无论是氨态氮还是硝态氮在大多数试验中都表现出对土壤甲烷氧化的 短期抑制作用，但是似乎只有氨态氮肥对土壤氧化甲烷具有长期抑制效应。 在自然界中，完成甲烷氧化的微牛物包括甲烷氧化菌和硝化菌，这两类微生物 既能氧化甲烷也能氧化铵离了。由于甲烷和铵离子在空间结构上的相似性和甲烷氧 化单氧酶的较低的底物专一性，铵离子可能对甲烷消耗产生竞争性抑制作用。许多 8 申请同济煳：学硕士学位做第一章绪论 田间试验结果表明，施加氨态氮肥可以强烈地抑制甲烷的消耗作用。例如在红松林 中施加氮肥可以使甲烷氧化减少3 0 。m o s i e r 在研究中还发现甲烷氧化主要与氮转 化率密切相关，而并非土壤无机氮的实际含量。对于在a l a s k a 北方针叶林中氮肥对 甲烷氧化的影响有不同的报道结果，w h a l e n 没有发现氮肥对甲烷消耗的影响，而 s c h i m e l 却在高原岳桦林观察到明显的抑制作用。 关于氮素对甲烷氧化的抑制机制，从现有资料看，可以认为主要包括以下几个 方面。 ( 1 ) 对甲烷单氧化酶的竞争性抑n - 铵离子和甲烷竞争甲烷氧化单氧酶活性部位而抑 制甲烷氧化。 ( 2 ) 铵离子氧化产牛的亚硝酸根离子对甲烷氧化作用的抑n - s c h n e l l 和k i n g 观察到 亚硝酸根离子对土壤氧化甲烷的毒害作用大于铵离了对甲烷氧化的抑制作用，因此 认为氨氧化过程中亚硝酸根的出现并对甲烷氧化菌氧化甲烷产生毒害作用是铵离子 抑制甲