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生重要影響。微生物在人工濕地CH_4和N2_O的產生和消減中起到主要作用。在基質厭氧區(qū)，有機物經多級發(fā)酵降解產生CH_4，經好氧/厭氧氧化成CO2或直接釋放。N2_O是在微生物硝化、反硝化過程中產生的，也可在微生物介導下進一步還原為N2。

目前，CH_4氧化耦合反硝化過程關聯了三種溫室氣體之間的產生與消耗，然而其微生物學機制還存在爭議。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物，CH_4和N2_O的產生與釋放必定存在相關關系，但目前缺乏對二者的相關性研究。本研究從三種溫室氣體釋放的相關關系入手，探討了人工濕地中CH_4、CO2和N2_O的釋放規(guī)律，進而通過小試試驗結合化學熱力學分析，發(fā)現了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)，驗證了氧化亞氮驅動型甲烷氧化過程，最終明確了氧化亞氮驅動型甲烷氧化作用的影響因素及微生物學機制，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，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的釋放通量呈現正相關關系，與CO2的釋放存在負相關關系。本研究構建了底泥、沙土兩種類型基質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構，分析了三種溫室氣體產生與釋放的相關關系。結果表明底泥基質中N2_O和CH_4的平均釋放通量顯著低于沙土基質，CO2的平均釋放通量顯著高于沙土基質。CH_4和N2_O的釋放通量存在顯著正相關關系，但它們與CO2的釋放均存在負相關關系。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關系，CO2的釋放與硫桿菌屬相對豐度存在顯著正相關性。兩種類型基質的濕地系統(tǒng)對碳氮污染物均達到了較好的去除。底泥基質中的反硝化作用更明顯，沙土基質中COD的去除率更高。底泥基質中微生物豐度高于沙土基質，特別是硫桿菌屬的相對豐度較高，沙土基質中藍藻細菌的相對豐度較高。

(2)人工濕地基質中N2_O能夠抑制CH_4的產生并促進CH_4的氧化，從而實現CH_4和N2_O的同步消減。本研究選取不同類型濕地基質樣品，開展了不同類型濕地基質中CH_4和N2_O的產生和釋放研究，結合穩(wěn)定同位素示蹤和宏基因組測序技術，闡明了CH_4和N2_O的同步消減過程和微生物響應機制。N2_O抑制了產甲烷菌的表達活性。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)和同位素示蹤技術進一步分析N2_O對CH_4氧化的影響，結果發(fā)現添加N2_O促使甲烷氧化菌的表達活性提高了1.1倍，C02產生速率是對照組的1.45倍，N2_O促進了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氧化的反應過程從熱力學角度是可行的，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動型甲烷氧化過程，氧化亞氮驅動型甲烷氧化是一種氧化亞氮還原耦合內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，分析了不同階段的微生物群落結構變化，提出并驗證了氧化亞氮驅動型甲烷氧化過程。結果發(fā)現經過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動型甲烷氧化過程，此過程是一種N2_O還原耦合內部好氧的CH_4氧化過程。

(4)明確了氧化亞氮驅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，通過設定不同的進氣比和溫度條件，確定了碳氮消耗比值和CO2產生速率，解析了相關微生物群落結構、表達活性和功能，闡明了氧化亞氮驅動型甲烷氧化作用的影響因素及微生物學機制。結果發(fā)現高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產生速率在前12h較高，最高可達1.08μmol/L。氧化亞氮驅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。