台灣水稻田土壤嗜甲烷菌群的親緣歧異和甲烷氧化效能

  生物多樣性研究中心邱志郁研究員領導之研究團隊,日前發現台灣水稻田表層土壤可能存在高效能的嗜甲烷菌。該菌能有效地將水稻田深層土壤所產生之甲烷氧化成為二氧化碳,進而減低甲烷所造成溫室效應的影響。這項最新的研究成果已發表在土壤學的頂尖學術期刊「土壤生物與生物化學(Soil Biology and Biochemistry)」。

  溫室效應,一般是指自然界中常見的溫室氣體(例如:水蒸氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮等),能夠吸收地表反射的太陽輻射熱而導致地球表面溫度上升的現象。其中甲烷氣體常產生於極度還原狀態(厭氧)的土壤環境,往昔咸認為水稻田土壤是人為的主要甲烷排放源。尤其甲烷的熱吸存效率是二氧化碳的25倍以上,影響溫室效應更甚。如何降低人為活動所產生之甲烷氣體,遂成為當今減緩全球溫室效應的迫切研究議題。

  包括水田在內的濕地生態系當中,土壤表層常存在可將甲烷氧化的嗜甲烷菌,遂能減低甲烷的淨排放量。然而嗜甲烷菌群在台灣水稻田土壤中的含量、豐富度、甲烷氧化效能等資料,迄今尚無相關的報導。此篇論文是針對桃園、苗栗、台中、高雄、花蓮、台東等六個農業改良場中的水稻田土壤所進行的研究。研究團隊採集上述樣區水稻田的表層土壤,分析其中的土壤物理化學性質、甲烷氧化效能、嗜甲烷菌物種多樣性,藉以瞭解台灣水稻田土壤中的嗜甲烷菌群結構和分布。研究團隊更利用穩定同位素探針技術,標定嗜甲烷菌的DNA,並結合次世代定序技術,分析此等水稻田土壤中嗜甲烷菌群的親緣關係。

  研究結果顯示:台灣水稻田土壤中的嗜甲烷菌群是以Type II型的Methylocystis 為主。此外,六處水稻田土壤中皆可能存在一種以上,與Mehtylocaldum親緣關係相近的Type Ib型嗜甲烷菌新物種。透過高濃度穩定同位素13C標定之甲烷誘導培養,更進一步證實台灣水稻田土壤中具備高效能的嗜甲烷菌群,主要是Type Ia型的MethylosarcinaMethylobacter。其中在苗栗、台中、高雄、台東農改場所發現的嗜甲烷菌與其他亞洲國家如日本、中國、韓國、菲律賓水稻田土壤中所發現的嗜甲烷菌差異極大。顯示台灣這些水稻田土壤所具備高效能的Type Ia型嗜甲烷菌,可能是過去前人研究中所未曾發現之新物種。

  此項研究也顯示水稻田土壤中高效能的Type Ia及Type Ib型嗜甲烷菌,偏好於pH較為中性且好氧的土壤。反之,較為酸性或厭氧環境的土壤則較適合低效能的Type II型嗜甲烷菌。綜合而言,生態系中不同的嗜甲烷菌群各有其喜好和適合的棲地環境。若能透過不同的灌溉管理方式,營造出適合高效能嗜甲烷菌生長的棲地條件,應可有效降低水稻田甲烷的淨排放量,減輕水稻栽植對於溫室效應的影響。

  論文的第一作者蕭友晉博士,先前於本院生物多樣性研究中心從事博士後研究,現職為國立高雄科技大學環安系助理教授。

  論文全文請參考網站:

 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071718301810

 

  本項研究探討台灣水稻田土壤中的嗜甲烷菌群結構和土壤環境的關係。結合穩定同位素探針標定技術和次世代定序,證實台灣水稻田土壤可能存在高效能的嗜甲烷菌群。土壤酸鹼性、有機物含量、氧化還原條件是影響嗜甲烷菌群結構的主要因素。

 

  Type Ia型(○)及Type Ib型(□)等高效能的嗜甲烷菌群偏好pH值較高、好氧(NO3-濃度高但NH4+濃度低)的環境條件。Type II型(△)低效能的嗜甲烷菌則偏好酸性、高有機物含量、厭氧的環境條件。