黄海与黄河中依赖亚硝酸盐和硝酸盐的厌氧甲烷氧化微生物的独特生物地理分布

《Water Research X》：Distinct Biogeography of Nitrite- and Nitrate-dependent Anaerobic Methane Oxidizing Microorganisms in the Yellow Sea and Yellow River

黄河与黄海硝酸盐/亚硝酸盐依赖性厌氧甲烷氧化微生物群落与环境驱动机制研究。通过稳定同位素示踪和分子测序，发现淡水河网中亚硝酸盐型DAMO细菌占优（Group A），而高盐黄海海域硝酸盐型DAMO古菌显著富集（mcrA基因丰度达海河的19.9倍）。盐度梯度是主要生态驱动因子（解释细菌群落28.03%、古菌26.19%方差），氮素养分（NO3?-N）调控微生物活性。群落分化表现为Group B细菌在黄海（>97%）与Group A在黄河（100%）的特异性分布，印证盐度阈值（>31‰）对微生物功能分化的关键作用。

　　在当今全球气候变化日益严峻的背景下，甲烷作为一种重要的温室气体，其减排与控制成为环境科学领域的重要研究方向。甲烷的排放主要来自自然和人为源，其中淡水和海洋生态系统在甲烷循环中扮演着关键角色。为了更深入地理解甲烷的微生物氧化机制，尤其是硝酸盐/亚硝酸盐依赖的厌氧甲烷氧化（n-DAMO）过程，研究人员对中国的黄河（淡水）和黄海（海洋）的沉积物进行了系统的调查。该研究不仅揭示了n-DAMO微生物在两种不同环境中的分布特征，还探讨了其在甲烷减排中的功能差异，为全球甲烷循环模型的构建提供了重要的实证依据。

n-DAMO过程是甲烷氧化的重要途径之一，它通过硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，实现甲烷的厌氧氧化。这一过程在淡水和海洋环境中都存在，但其主导机制和关键影响因素可能存在显著差异。本研究通过稳定同位素示踪技术和分子生物学方法，对黄河和黄海沉积物中的n-DAMO微生物进行了分析。研究结果表明，n-DAMO细菌和古菌在两种生态系统中均有分布，但其丰度和功能表现存在明显差异。在黄河沉积物中，硝酸盐依赖的甲烷氧化过程（硝酸盐-DAMO）占主导地位，而在黄海沉积物中，亚硝酸盐依赖的甲烷氧化（硝酸盐-DAMO）更为显著。这一现象可能与硝酸盐和亚硝酸盐的可用性有关，且黄海的高盐度环境可能促进了硝酸盐-DAMO过程的活跃。

研究还发现，黄海沉积物中的n-DAMO古菌的*mcr*A基因丰度是黄河沉积物的19.9倍，表明在海洋环境中，硝酸盐-DAMO古菌具有更高的丰度和活性。而在黄河中，n-DAMO细菌的*pmo*A基因丰度相对较低，这可能与淡水环境中较低的硝酸盐和亚硝酸盐浓度有关。此外，n-DAMO微生物群落的结构在两种生态系统中表现出显著的差异，这可能与盐度作为主要环境驱动因素有关。通过冗余分析（RDA）和结构方程模型（SEM），研究人员发现盐度对n-DAMO细菌和古菌的群落结构影响显著，分别解释了细菌和古菌群落变异的28.03%和26.19%。这一结果表明，盐度是决定n-DAMO微生物生态位和功能分化的关键因素。

进一步的分析表明，n-DAMO微生物的多样性在两种生态系统中表现出一定的差异。黄河中的n-DAMO细菌主要由Group A组成，而在黄海中，Group B成为主要的n-DAMO细菌群落。这种群落结构的差异可能与不同环境条件下的适应性演化有关。Group A细菌在低盐度的淡水环境中占据主导地位，而Group B细菌则在高盐度的海洋环境中更为活跃。这可能意味着Group B细菌具备更强的耐盐性，能够适应海洋环境中的高盐度条件。同时，黄海中的n-DAMO古菌主要由Group B构成，这一结果也支持了其在海洋环境中具有更高的适应能力。

从功能角度来看，n-DAMO微生物在甲烷氧化中的作用受到多种环境因素的影响。例如，在黄河中，硝酸盐和亚硝酸盐的浓度与甲烷氧化速率之间存在显著的正相关关系，这表明在淡水环境中，甲烷氧化过程更依赖于硝酸盐和亚硝酸盐的可利用性。而在黄海中，虽然硝酸盐-DAMO速率较高，但其与盐度之间的相关性并不显著，这可能是因为盐度对微生物群落结构的影响更为直接。同时，黄海中*n-DAMO*微生物的*pmo*A基因丰度与*n-DAMO*细菌的活性之间并未呈现显著相关性，这表明甲烷氧化过程可能受到其他环境因素的影响，如pH值和营养物质的可利用性。

值得注意的是，n-DAMO微生物的丰度与活性之间的解耦现象在多个研究中均有报道。这表明，微生物的活性不仅与其数量有关，还受到环境条件和细胞特异性活性的影响。例如，在黄河和黄海中，尽管*n-DAMO*微生物的丰度存在显著差异，但其甲烷氧化速率并未呈现出一致的模式。这一现象可能与不同环境条件下微生物的代谢效率、基因表达水平以及与其他微生物的相互作用有关。因此，为了更准确地评估*n-DAMO*过程对甲烷减排的贡献，未来的研究需要结合活性测定和分子生物学技术，如转录组学和代谢组学，以全面揭示微生物的生态功能。

本研究还发现，n-DAMO微生物在不同环境中的生态位分化与盐度密切相关。在淡水环境中，Group A细菌占据主导地位，而在海洋环境中，Group B细菌更为常见。这种分化可能源于不同环境条件下微生物的适应性演化，使得它们能够更有效地利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体。此外，n-DAMO古菌在黄海中的高丰度可能与其在高盐度环境中的生存策略有关，如通过合成相容性溶质维持细胞膜的稳定性。这些适应性特征使得n-DAMO微生物能够在不同环境中发挥其独特的功能。

在环境调控方面，n-DAMO微生物的活动受到多种因素的影响，包括盐度、pH值、氮素可利用性等。例如，黄海中的盐度梯度显著高于黄河，这种差异可能对n-DAMO微生物的群落结构产生重要影响。盐度作为主要的环境驱动因素，不仅影响微生物的分布，还可能通过改变群落结构间接调控其功能。同时，pH值的变化也对n-DAMO微生物的丰度和活性产生影响，特别是在黄海中，pH值与*n-DAMO*古菌的丰度之间存在显著的负相关关系。

研究结果还表明，n-DAMO微生物在两种生态系统中的功能分化可能与它们的代谢路径有关。在黄河中，n-DAMO细菌主要通过亚硝酸盐依赖的“内部好氧”途径进行甲烷氧化，而在黄海中，n-DAMO古菌则通过“反甲烷生成”途径实现甲烷的氧化。这两种不同的代谢路径可能反映了它们在不同环境条件下的适应策略，从而在甲烷减排中发挥不同的作用。这种差异可能进一步影响全球甲烷预算模型的构建，为不同环境下的甲烷减排策略提供科学依据。

此外，研究还指出，n-DAMO微生物的活动与环境条件之间存在复杂的相互作用。例如，在黄海中，尽管硝酸盐浓度较高，但其对*n-DAMO*微生物的活性影响并不显著，这可能意味着其他因素，如微生物群落的组成和结构，对甲烷氧化过程起着更为关键的作用。因此，为了更全面地理解n-DAMO微生物的生态功能，未来的研究需要综合考虑多种环境因素，并采用更精细的分析方法，如多组学整合和长期监测，以揭示其在不同生态系统中的动态变化。

本研究的发现对全球甲烷减排策略具有重要的指导意义。在淡水系统中，如黄河，可以通过调控氨氧化过程来提高硝酸盐依赖的甲烷氧化能力，从而增强甲烷的减排效果。而在海洋系统中，如黄海，可以通过管理人为的硝酸盐输入，如农业径流和废水排放，来促进硝酸盐依赖的甲烷氧化，进而增强海洋沉积物的甲烷减排能力。然而，需要注意的是，这些实验室条件下的甲烷氧化速率可能与实际环境中的甲烷氧化速率存在差异，因此，未来的研究应结合现场甲烷通量测量和n-DAMO活性分析，以更准确地评估其对甲烷减排的实际贡献。

总的来说，本研究通过综合分析黄河和黄海沉积物中的n-DAMO微生物，揭示了它们在不同环境中的分布特征和功能差异。这些发现不仅加深了我们对n-DAMO微生物生态功能的理解，还为制定针对性的甲烷减排策略提供了科学依据。未来的研究应进一步探索n-DAMO微生物的多样性、代谢机制以及其在不同环境条件下的适应性，以更全面地评估其在全球碳循环中的作用。