湿地是温室气体甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N2_O)的重要排放源之一，二者的升温潜势分别是二氧化碳(CO2)的25倍和310倍，对于全球气候变化产生重要影响。微生物在人工湿地CH_4和N2_O的产生和消减中起到主要作用。在基质厌氧区，有机物经多级发酵降解产生CH_4，经好氧/厌氧氧化成CO2或直接释放。N2_O是在微生物硝化、反硝化过程中产生的，也可在微生物介导下进一步还原为N2。


目前，CH_4氧化耦合反硝化过程关联了三种温室气体之间的产生与消耗，然而其微生物学机制还存在争议。CH_4可用作反硝化过程的碳源，N2_O是反硝化作用的中间产物，CH_4和N2_O的产生与释放必定存在相关关系，但目前缺乏对二者的相关性研究。本研究从三种温室气体释放的相关关系入手，探讨了人工湿地中CH_4、CO2和N2_O的释放规律，进而通过小试试验结合化学热力学分析，发现了CH_4和N2_O的同步消减作用;通过在实验室条件下微生物的长期富集培养，验证了氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程，最终明确了氧化亚氮驱动型甲烷氧化作用的影响因素及微生物学机制，该研究可为人工湿地中CH_4和N2_O的同步减排提供理论依据，对于完善全球碳氮循环具有重要意义。


主要研究成果如下：


(1)人工湿地中CH_4与N2_O的释放通量呈现正相关关系，与CO2的释放存在负相关关系。本研究构建了底泥、沙土两种类型基质的表面流人工湿地小试系统，测定了系统的温室气体释放情况，碳氮污染物去除效果及微生物群落结构，分析了三种温室气体产生与释放的相关关系。结果表明底泥基质中N2_O和CH_4的平均释放通量显著低于沙土基质，CO2的平均释放通量显著高于沙土基质。CH_4和N2_O的释放通量存在显著正相关关系，但它们与CO2的释放均存在负相关关系。CH_4和N2_O的释放与疣微菌门的相对丰度存在显著正相关关系，CO2的释放与硫杆菌属相对丰度存在显著正相关性。两种类型基质的湿地系统对碳氮污染物均达到了较好的去除。底泥基质中的反硝化作用更明显，沙土基质中COD的去除率更高。底泥基质中微生物丰度高于沙土基质，特别是硫杆菌属的相对丰度较高，沙土基质中蓝藻细菌的相对丰度较高。


(2)人工湿地基质中N2_O能够抑制CH_4的产生并促进CH_4的氧化，从而实现CH_4和N2_O的同步消减。本研究选取不同类型湿地基质样品，开展了不同类型湿地基质中CH_4和N2_O的产生和释放研究，结合稳定同位素示踪和宏基因组测序技术，阐明了CH_4和N2_O的同步消减过程和微生物响应机制。N2_O抑制了产甲烷菌的表达活性。在小湄河、白云湖人工湿地中检测到CH_4和N2_O的同步消减现象，添加N2_O的实验组在48 h释放的CH_4比对照组分别减少了58.96%和72.90%。通过短期培养和同位素示踪技术进一步分析N2_O对CH_4氧化的影响，结果发现添加N2_O促使甲烷氧化菌的表达活性提高了1.1倍，C02产生速率是对照组的1.45倍，N2_O促进了3.41 mmol CO2/g干重/d的CH_4氧化。通过吉布斯自由能计算验证了N2_O还原与CH_4氧化的反应过程从热力学角度是可行的，宏基因组测序注释出了完整的甲烷氧化路径。


(3)提出并验证了氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程，氧化亚氮驱动型甲烷氧化是一种氧化亚氮还原耦合内部好氧的甲烷氧化过程。本研究在缺氧条件下运行了富集培养反应器，利用CH_4和N2_O作为主要碳源、能源和氮源，富集培养了小湄河人工湿地底泥基质，分析了不同阶段的微生物群落结构变化，提出并验证了氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程。结果发现经过500天的富集培养，甲烷氧化菌功能基因pmoA和反硝化菌功能基因nosZ的丰度分别增加了38倍和8倍。甲基球菌目中的甲基暖菌属成为相对丰度最高的甲烷氧化菌，红环菌目中的陶厄氏菌属成为相对丰度最高的反硝化菌。稳定同位素示踪实验直接证实了N2_O和CH_4的同步消减是氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程，此过程是一种N2_O还原耦合内部好氧的CH_4氧化过程。


(4)明确了氧化亚氮驱动型甲烷氧化作用机理为甲烷氧化菌和反硝化菌的协同作用，并解析了其影响因素。本研究采用厌氧培养瓶，通过设定不同的进气比和温度条件，确定了碳氮消耗比值和CO2产生速率，解析了相关微生物群落结构、表达活性和功能，阐明了氧化亚氮驱动型甲烷氧化作用的影响因素及微生物学机制。结果发现高N2_O比比值条件(nN2_O：nCH_4=2：1)下富集培养效果优于低N2_O比比值(1：1)，低浓度N2_O比比高浓度N2_O更有利于发生氧化亚氮驱动型甲烷氧化作用，实际CH_4与N2_O消耗量的比值为76：1，CO2产生速率在前12h较高，最高可达1.08μmol/L。氧化亚氮驱动型甲烷氧化过程为甲烷氧化菌和反硝化菌的协同作用。20℃C有利于N2_O的还原，35℃C有利于CH_4的氧化。好氧甲烷氧化菌可以消耗CH_4作为碳源和能源，反硝化菌利用其释放的有机中间体作为电子供体来还原N2_O。