湖底还原沉积物中好氧甲烷氧化菌通过NO歧化途径维持甲烷氧化的新机制

《Microbiology》：Profile Distribution of Methane Oxidation Rates and Genome Analysis Suggest Utilization of NO Dismutation Pathway by Aerobic Methanotrophs in Reduced Lake Sediments

本研究针对淡水湖沉积物中好氧甲烷氧化菌（MOB）在缺氧环境下仍能氧化甲烷的机制难题，通过多学科技术手段揭示了其可能利用NO歧化途径产生内源性O2，为理解湖泊碳循环及微生物适应性提供了新视角。

　　

在淡水湖泊生态系统中，甲烷作为一种强效温室气体，其动态平衡对全球气候变化具有重要影响。好氧甲烷氧化菌（MOB）长期以来被认为是湖泊甲烷氧化的主要执行者，但其依赖氧气的特性与湖底缺氧沉积物中仍检测到高活性MOB的现象存在矛盾。传统观点认为，MOB可能通过利用硝酸盐（NO₃^?）、亚硝酸盐（NO₂^?）或金属氧化物作为替代电子受体实现厌氧甲烷氧化（AOM），然而大量实验表明，氧气仍是MOB氧化甲烷的最高效底物。这一矛盾引发了学界对MOB在缺氧环境中生存策略的深入探索。

为揭示MOB在还原性沉积物中的代谢机制，A. Yu. Kallistova等研究人员以温带淡水湖（塞内日湖）为研究对象，在蓝藻水华期间系统分析了水体与沉积物剖面的甲烷分布、微生物群落结构及活性。研究综合运用地球化学分析、放射性示踪技术、分子生物学手段（16S rRNA高通量测序）和基因组学方法，并通过室内培养实验验证了微生物的潜在代谢功能。

关键技术方法

研究通过现场采样获取湖心区4米深水柱及0-30厘米沉积物样本，利用毛细管电泳、原子光谱等技术测定理化参数；采用¹⁴CH₄标记法测定甲烷氧化速率常数（k_MO）；通过Illumina MiSeq平台对微生物16S rRNA基因V3-V4区进行测序，解析群落结构；基于95个MOB基因组数据库，通过BLASTP和Pfam比对筛选氮代谢关键酶编码基因。

研究结果

理化参数与甲烷分布

湖面光合层（0-2米）溶解氧过饱和（17 mg/dm³），底层水体（4米）缺氧（2.5 mg/dm³），沉积物氧化还原电位（E_h）低至-358 mV。甲烷浓度从表层水的1.5 μg/dm³增至沉积物的8.7 mg/dm³，相差4个数量级。

微生物群落结构

变形菌门（Pseudomonadota）和放线菌门（Actinomycetota）在好氧水体中占主导，而沉积物中绿弯菌门（Chloroflexota）和硝化螺旋菌门（Nitrospirota）丰度显著升高。MOB在底层水体和沉积物（0-20厘米）中相对丰度达2.4%-2.5%，以γ-变形菌纲的甲基杆菌属（Methylobacter）为主。

甲烷氧化活性

放射性示踪显示，底层水体甲烷氧化速率最高（k_MO=14×10^?2 day^?1），沉积物中MOB活性保留底层水的17%-40%。添加O₂后沉积物甲烷氧化速率立即升高，表明其代谢严格依赖氧气。

氮代谢基因分析

基因组筛选发现，部分MOB（如Methylobacter、Methylocystis）编码羟胺氧化酶（Hao）、亚硝酸盐还原酶（NirK/S）等酶，可生成一氧化氮（NO），但缺乏经典NO还原酶（NorCB/Z）。这些菌株同时携带hcp-hcr基因簇（可能与高亲和力NO还原相关）或pXMO（低氧适应性pMMO变体），提示其可能通过NO歧化反应（2NO → N₂O + 1/2O₂）产生内源性O₂，支持甲烷氧化。

结论与意义

本研究提出MOB在还原性沉积物中可能通过NO歧化途径维持甲烷氧化的新机制，突破了传统好氧代谢的认知框架。该机制解释了MOB在缺氧环境中广泛分布的现象，为湖泊碳循环模型提供了关键微生物学依据。研究结果对预测湿地-湖泊系统温室气体排放及开发基于微生物的甲烷减排技术具有重要启示。论文发表于《Microbiology》，为环境微生物生态学领域提供了创新性理论支撑。