城市与乡村湿地甲烷排放差异的微生物机制解析

本研究针对城市与乡村湿地CH4排放差异的微生物机制尚不明确的问题，通过整合16S rRNA测序、宏基因组学和CH4通量测量，系统比较了城乡湿地的CH4循环微生物群落及其功能代谢途径。研究发现城市湿地水体虽产甲烷菌丰度较低，但微生物协作更强、代谢灵活性更高，导致其水-气界面CH4通量比乡村高85%；城市湿地土壤则因pH更高、有机质更低等关键环境因子塑造了独特的微生物群落结构和CH4代谢特征，表现为更高的功能基因多样性、更稳定的共现网络和更强的代谢灵活性，其土壤CH4排放量是乡村的6倍。该研究揭示了城乡湿地CH4排放差异的微生物驱动机制，为理解城市湿地生态系统中微生物介导的CH4循环提供了新见解。

　　

湿地生态系统是全球重要的甲烷（CH₄）排放源，贡献了全球大气CH₄排放的18%～29%。随着城市化进程的加速，自然生态系统被大规模改造，城市湿地作为“绿色基础设施”的角色日益凸显。然而，城市湿地与乡村湿地在CH₄排放上存在显著差异，这种差异背后的微生物机制却一直未被清晰揭示。以往的研究多将CH₄通量的变化归因于温度升高、营养负荷增加和土地利用管理等非生物因素，而忽视了产甲烷和甲烷氧化途径等关键的微生物效应。此外，多数研究仅关注单一基质（如土壤或沉积物），限制了我们对城乡湿地共存环境隔室中复杂的CH₄循环机制的理解。为了填补这些知识空白，来自湖南植物园等机构的研究团队在《SOIL BIOLOGY 》上发表论文，开展了一项系统的比较研究。

研究人员综合运用了野外测量与多组学方法。他们基于前期工作，根据不透水表面面积（ISA）定义了城市化强度，从湖南省20个湿地中筛选出6个（3个城市湿地，3个乡村湿地）作为研究对象，匹配了水文状况、土壤类型、优势植被和气候条件。在2023年4月，研究人员测量了湿地土壤和水体的原位CH₄通量，并采集了土壤和水体样本。关键技术方法包括：1） 使用LI-7810 CH₄/CO₂/H₂O痕量气体分析仪通过箱法测量CH₄通量；2） 对土壤和水体样本的理化性质进行常规分析；3） 从样本中提取总基因组DNA，利用Illumina NovaSeq/HiSeq Xten平台进行宏基因组测序；4） 基于功能基因（如mcrA、pmoA）和宏基因组数据，分析CH₄循环相关的微生物群落结构、功能基因丰度和代谢途径；5） 运用共现网络分析、冗余分析（RDA）、偏最小二乘路径模型（PLS-PM）等统计方法，揭示环境因子、微生物特征与CH₄通量之间的关联。

3.1. 城乡湿地CH₄通量和环境因子的比较

研究发现，城市湿地在土壤-大气和水-大气界面的平均CH₄通量均显著高于乡村湿地，其中土壤-大气界面的差异尤为明显，城市湿地的CH₄通量约为乡村湿地的5倍。环境因子分析显示，城市湿地水体具有更高的SO₄^2?、NO₃^?-N浓度以及电导率（EC）、总溶解固体（TDS）等物理性质值；而乡村湿地土壤则具有显著更高的NO₃^?-N、土壤有机碳（SOC）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）含量，其中MBC和MBN含量约为城市湿地的3倍。

3.2. 城乡湿地微生物群落结构和多样性的特征

宏基因组测序获得了大量高质量数据。城市湿地土壤中CH₄相关功能基因的香农指数更高，而城市湿地水体中关键功能基因的香农指数则显著低于乡村湿地。非度量多维尺度分析（NMDS）表明，城乡湿地间的这些功能基因组成存在明显分离。微生物群落以变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）等为主。在城市湿地水体中，放线菌门和拟杆菌门（Bacteroidetes）占主导地位，而变形菌门的相对丰度比乡村湿地低47.87%。在湿地土壤中，城市湿地放线菌门的相对丰度比乡村湿地高89.29%，而变形菌门丰度保持稳定。功能贡献分析显示，变形菌门在乡村水体中的标准化总贡献更高，而在城市水体中，放线菌门和拟杆菌门的功能贡献 across categories 更高。对于湿地土壤，变形菌门和酸杆菌门（Acidobacteria）是乡村湿地的关键功能贡献者，而放线菌门在城市土壤中占主导地位。

3.3. 城乡湿地CH₄代谢微生物的特征

共现网络分析揭示了不同的模式。城市湿地水体的网络表现出最高的节点连接性、中心性和复杂性，这些特性暗示其网络稳定性较低。例如，酸微菌目（Acidimicrobiales）在城市水体中与其他类群表现出拮抗相互作用。相比之下，城市湿地土壤的网络则表现出比乡村湿地土壤更高的稳定性。在鉴定出的产甲烷菌中，大多数属于甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、甲烷胞菌属（Methanocella）等，占总丰度不到1%。甲烷八叠球菌属的相对丰度最高，在城市水体样本中达到1.23%。好氧甲烷氧化菌以甲烷囊菌属（Methylocystis）和甲烷杆菌属（Methylobacter）为主，在乡村湿地水体中丰度最高。厌氧甲烷氧化菌（ANMEs）主要由Candidatus_Methylomirabilis和Candidatus_Methanoperedens代表，其中Candidatus Methylomirabilis在所有样本中均被检测到，在城市土壤中峰值达2.89%。

3.4. 城乡湿地CH₄功能基因和代谢途径的变异

城市湿地显示出参与辅酶M（CoM）依赖性产甲烷途径和三甲胺（TMA）分解代谢的基因相对丰度更高。例如，mtbA和comDE基因在城市湿地中相对丰度最高。然而，乙酸/CO₂依赖性产甲烷途径在城市湿地受到抑制，其关键功能基因mtr、mtd和mcr的丰度显著降低。在甲烷氧化方面，参与甲烷氧化（如mmo和pmo）、核酮糖-P途径（如hxl）和丝氨酸途径（如ser和gly）的关键基因在城市湿地具有更高的相对丰度。相比之下，与甲酸盐途径（如fdh, gfa）相关的基因在城市湿地总基因库中所占比例低于乡村湿地。

3.5. 城乡湿地环境因子与CH₄通量变化的关联

Mantel检验显示，土壤CH₄通量与pH、TOC、MBC和MBN呈显著正相关，而水-气界面的CH₄通量与pH和TOC呈负相关。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分别解释了水-气和土壤-大气界面CH₄通量72.9%和47.6%的方差。对于土壤-大气界面，CH₄通量与城市化强度显著相关，但这种关联完全是间接的，与土壤养分输入和pH有关。在水-气界面，城市化强度对CH₄通量显示出更强的直接关联。此外，在城市湿地观察到的水环境变化与水-气界面的CH₄通量相关，这种关联与产甲烷和甲烷氧化途径中微生物多样性指数和功能基因丰度的变化有关。

研究的讨论部分归纳指出，城市湿地作为CH₄的净源，其排放量高于乡村湿地，这与城市环境特有的因素有关。城市湿地CH₄循环模式与乡村湿地不同，这是由土壤和水环境独特的生物物理特性所塑造的。PLS-PM模型揭示，城市化强度对水-气界面CH₄通量的直接效应强于对土壤-大气界面的效应。共现网络分析进一步表明，水-气界面的CH₄通量与湿地水体产甲烷和甲烷氧化群落的转变呈负相关，暗示了水体中潜在的调节关系。这种双界面方法揭示，每个界面都表现出独特的、界面特定的模式，而以往的单界面分析会忽略这些模式。微生物网络介导了水-气界面的CH₄通量，而土壤排放主要与环境对微生物功能能力的过滤有关。

此外，与城市化相关的环境变化与水和土壤基质中不同的微生物群落模式相关，水体微生物类群表现出更明显的组成转变。与土壤微生物群落的稳定性相比，城市湿地中的水体微生物在分类和功能上发生了显著重组。CH₄相关微生物群落之间的相互作用对于介导功能至关重要。研究发现这些相互作用在城乡湿地之间存在不同的模式，并存在相特异性差异。土壤微生物网络在城乡湿地间表现出相当的稳定性。然而，城市水体网络表现出更高的节点连接性、中心性以及产甲烷菌和甲烷氧化菌之间更强的正相关关联，表明微生物相互作用更复杂。CH₄相关微生物类群在城乡湿地之间表现出显著差异。产甲烷菌丰度在城市湿地比乡村湿地低82%，并且向氢营养型主导转变。好氧甲烷氧化菌丰度在城市水体中比乡村水体低91%，而城市土壤中富集了厌氧甲烷氧化菌。这种模式表明城市湿地土壤中存在功能补偿。

最后，研究强调了城乡湿地在这两个过程中不同的功能模式，这与可能与城市环境压力相关的微生物适应性策略一致。在产甲烷途径中，城市湿地与乡村湿地中观察到的乙酸/CO₂依赖性主导地位存在显著差异，其特征是CoM依赖性产甲烷和TMA分解代谢途径的基因丰度更高。这种模式反映了微生物对城市污染物输入的利用。对于CH₄氧化，与乡村湿地相比，城市湿地表现出更强的碳同化倾向，而非完全氧化。虽然参与初始CH₄活化（如pmoABC, mmoCXY）的基因在城市湿地中更丰富，但关键转变在于通过丝氨酸和核酮糖-P途径增强甲醛同化。这种从氧化性向同化性甲醛代谢的转变对CH₄减排和碳固存具有双重意义。

本研究阐明了城乡湿地CH₄排放差异的微生物机制。研究发现城市湿地表现出比乡村湿地更高的净CH₄排放，这种升高与微生物代谢策略的适应性转变相关。城乡湿地环境条件（如土壤pH、有机碳含量）的差异，与CH₄循环的微生物群落组成和功能能力的变化相关。城市湿地中的微生物群落表现出适应性性状，包括扩展的代谢灵活性和更强的网络合作。相特异性过程塑造了CH₄通量动态：在城市湿地水柱中，更强的微生物网络调节似乎支持功能补偿，而在土壤中，环境过滤促进了代谢冗余。这些发现为评估城市湿地对区域CH₄预算的贡献提供了描述性基础，强调了在气候模型中考虑微生物代谢变异和相特异性过程的必要性。该研究深化了对湿地CH₄循环空间差异的理解，有助于预测城乡湿地的CH₄动态，并为温室气体减排的针对性管理策略提供信息。