土壤微生物對溫室氣體作用的實驗與研究

李楠琦

（南京市第一中學(xué)，江蘇 南京 210000）

一、研究背景與價值

工業(yè)革命以后，由于人類活動，溫室氣體濃度顯著增加，造成溫室效應(yīng)。溫室效應(yīng)造成冰川融化，海平面上升，嚴(yán)重危害了地球生態(tài)環(huán)境，威脅動植物及人類的生存。2018 年4 月2 日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員，利用俄克拉何馬州南大平原觀測站十年來獲得的對地球大氣的綜合觀測數(shù)據(jù)，首次直接證明了甲烷導(dǎo)致地球表面溫室效應(yīng)不斷增加。研究人員稱，21世紀(jì)初，大氣中甲烷的濃度停滯不前，溫室效應(yīng)也遵循同樣的模式；但從2007年開始，甲烷濃度開始上升的同時，其導(dǎo)致的溫室效應(yīng)也水漲船高。為展示土壤微生物如何氧化溫室氣體甲烷，了解全球變化及溫室氣體研究現(xiàn)狀，培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)意識和基本科學(xué)素養(yǎng)，本組選擇研究并展示土壤中微生物是如何氧化溫室氣體甲烷的。

二、研究的目標(biāo)與內(nèi)容設(shè)計

通過聽取科學(xué)講座，完成規(guī)范的科學(xué)實驗，展開深入的分析討論，讓同學(xué)們：

1.了解全球變化及溫室氣體研究現(xiàn)狀。2.熟悉實驗室操作規(guī)范。3.培養(yǎng)環(huán)境保護(hù)意識和基本科研素養(yǎng)。

了解甲烷氧化菌的分類及生態(tài)分布，實驗探究土壤微生物對甲烷的氧化作用，了解全球變化及溫室氣體研究現(xiàn)狀，探究甲烷氧化菌的運用。

三、研究過程、方法

（一）課題準(zhǔn)備階段

1.組建課題組，制定課題研究的過程性細(xì)則，明確各階段、各成員的研究內(nèi)容和要求，掌握相關(guān)研究方法。2.進(jìn)行相關(guān)資料查閱，明確研究方向，確定研究方案。3.針對課題提出可操作的對策研究。

（二）課題實施階段

1.提出問題：土壤微生物對甲烷是否有氧化作用？如果將土壤中的微生物殺死，土壤是否還能氧化甲烷？2.作出假設(shè)：土壤中的微生物具有甲烷氧化作用，如果將土壤微生物殺死，土壤將不能氧化甲烷。3.實驗：首先將土壤和甲烷放在一個密封的瓶子內(nèi)，1 天后測定瓶內(nèi)甲烷的濃度，如果甲烷的濃度隨著時間逐漸減少，就說明微生物在不斷利用甲烷。同時設(shè)置滅菌土壤對照，從另一方面證明如果將土壤微生物殺死，土壤將不能氧化甲烷。4.數(shù)據(jù)和結(jié)果分析。

（三）課題總結(jié)階段

對課題研究資料進(jìn)行整理、分析、歸類、比較，總結(jié)實驗結(jié)果。匯編課題研究資料，撰寫總結(jié)報告，舉行課題結(jié)題報告會。

（四）研究方法

文獻(xiàn)研究法、實驗研究法、分析比較法等

四、研究結(jié)果及分析

（一）不滅菌處理

經(jīng)過18h 培養(yǎng)，培養(yǎng)瓶中的CH4 濃度減少了474.5ppm，說明土壤中的甲烷氧化微生物有明顯的甲烷氧化作用。

（二）滅菌處理

高溫滅菌后，土壤微生物失活，不能氧化CH4。培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)CH4濃度升高，可能是由于滅菌過程改變了土壤原始結(jié)構(gòu)，發(fā)生了化學(xué)過程，產(chǎn)生CH4。

（三）空氣對照處理

由于零時刻氣體采集操作失誤，未檢測出CH4 濃度。理論上，對照處理的CH4 濃度保持不變。

隨著甲烷氧化菌的生長,培養(yǎng)瓶內(nèi)的甲烷和氧氣不斷地被消耗,同時伴隨著的是CO2 體積的增加。數(shù)據(jù)證實了甲烷氧化菌生長過程中的呼吸作用對甲烷的消耗。同時由圖像變化趨勢可知,隨著生長的加快,當(dāng)細(xì)菌增殖進(jìn)入對數(shù)期時,對甲烷和氧的消耗也隨之增加:細(xì)菌對氧的消耗明顯小于對甲烷的消耗,而且CO2 的生成量也小于甲烷的減少量,表明在生長過程中部分甲烷和氧氣被轉(zhuǎn)換成了細(xì)胞的組成物質(zhì)和能量。

五、結(jié)論

通過長期的實驗,我們了解了甲烷氧化菌的生理性質(zhì),完成了甲烷氧化菌的分離和培育,對甲院氧化細(xì)菌降解瓦斯的能力進(jìn)行了實驗驗證,并在模擬煤層環(huán)境中研究了甲烷氧化菌對井下環(huán)境的適應(yīng)性,最后對甲烷氧化菌的應(yīng)用方式提出了展望,主要有以下結(jié)論:

1.通過查閱文獻(xiàn)了解了甲烷細(xì)菌生理性質(zhì)。了解了甲烷氧化菌的分布,甲烷氧化菌的分類以及可捕獲利用甲烷的特性,學(xué)習(xí)了其氧化甲烷的過程和機(jī)理,并由此制訂了培養(yǎng)方案、實驗流程和研究目標(biāo)。2.選取水稻土并成功的分離和挑選了甲烷氧化菌群落,對它們進(jìn)行觀測和研究,并通過測量其生長狀況,對甲烷氧化菌的分解作用進(jìn)行了探索。我們發(fā)現(xiàn)：水稻田土樣中分離的細(xì)菌具有更旺盛的生命力;在培養(yǎng)細(xì)菌過程中碳源應(yīng)以甲烷氣體為主,并輔助添加少量甲醇。3.土壤中的微生物具有甲烷氧化作用，如果將土壤微生物殺死，土壤將不能氧化甲烷。

六、反思與展望

1.烷氧化菌使用的理論與實踐有待進(jìn)一步完善與深化加強。2.高甲烷氧化菌的針對性與應(yīng)用性。

雖然本小組投入了較多的時間和精力對甲烷氧化菌消除甲烷的能力進(jìn)行研究，但由于經(jīng)驗的不足和實驗水平的限制，對很多問題缺乏更深入的探索，希望未來有更多的機(jī)會進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)研究。