气候引发的硫酸盐动态变化对沿海湿地厌氧甲烷氧化的调控机制及其意义

在沿海湿地中，厌氧甲烷氧化（AMO）对缓解甲烷排放至关重要，但它对气候变化的响应尚不明确。研究人员通过 5 年野外实验，探究升温及高浓度二氧化碳（eCO2）对其影响。结果发现，二者通过改变硫酸盐（SO42?）动态影响 AMO，这对预测沿海湿地甲烷动态意义重大。

　　在全球气候变化的大背景下，沿海湿地的生态平衡正遭受着前所未有的挑战。以往，沿海湿地被认为是甲烷（CH₄）的次要排放源，然而近年来的研究却发现，其甲烷排放量变化极大，甚至在二氧化碳（CO₂）当量方面超过了碳固存。这一现象使得准确量化沿海湿地的甲烷排放变得极为重要，因为甲烷是一种强效的温室气体，其对全球变暖的影响不容小觑。

同时，气候变化带来的升温、海平面上升以及大气中二氧化碳浓度升高，正深刻地影响着沿海湿地的生态系统。这些变化干扰了微生物调节甲烷动态的过程，导致甲烷排放的不确定性增加。在众多与甲烷动态相关的微生物过程中，厌氧甲烷氧化（AMO）扮演着关键角色，它能够消耗大量在缺氧条件下产生的甲烷，从而减少甲烷向大气中的排放。但是，目前人们对 AMO 如何响应气候变化及其内在机制知之甚少。

为了深入探究这些问题，美国史密森尼学会全球变化研究湿地（Smithsonian’s Global Change Research Wetland，GCReW）的研究人员开展了一项长期的野外实验研究。他们利用盐沼对温度实验的响应（Salt Marsh Accretion Response to Temperature Experiment，SMARTX）平台，设置了不同的气候处理组，包括环境温度和二氧化碳浓度（ambient）、升高二氧化碳浓度（eCO₂）、升温 5.1°C（+5.1°C）以及升温且升高二氧化碳浓度（+5.1°C + eCO₂）。

研究人员通过一系列实验，得出了许多重要结论。在硫酸盐（SO₄^2?）动态方面，升温导致孔隙水中 SO₄^2?浓度降低，这是因为升温增强了 SO₄^2?还原作用；而 eCO₂则使 SO₄^2?浓度增加，这得益于其促进了 SO₄^2?的再生。在厌氧甲烷氧化过程中，以 SO₄^2?为电子受体的厌氧甲烷氧化（S-DAMO）是研究区域的主要 AMO 过程，其速率变化与 SO₄^2?浓度趋势一致，升温降低了 S-DAMO 速率，eCO₂则刺激其增加。此外，研究还发现，在该研究区域，以硝酸盐（NO₃^?）或亚硝酸盐（NO₂^?）为电子受体的厌氧甲烷氧化（N-DAMO）作用微弱。

在原位甲烷排放方面，升温增加了 6 月 2022 年的甲烷排放，而 eCO₂则减少了排放。在微生物群落方面，eCO₂增加了参与 S-DAMO 的古菌（ANME-1 和 ANME-2c）的基因丰度，而升温单独作用时对此无明显影响。

这些研究结果意义重大。它揭示了气候变化可通过改变 SO₄^2?动态来调节沿海湿地土壤中的 AMO 活动，这对于准确预测未来沿海湿地甲烷动态变化、完善全球甲烷预算模型具有重要价值。同时，研究结果也为制定合理的湿地管理策略、应对气候变化提供了科学依据。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为相关领域的研究提供了重要参考。

研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。在样品采集方面，通过在不同深度安装不锈钢 “吸管” 收集孔隙水样本，用于分析其中的化学物质浓度；采用根生长芯法测量细根生产力。在检测分析方面，利用稳定同位素技术评估潜在的 AMO 活性；运用定量聚合酶链反应（qPCR）测定 ANME 古菌的基因丰度；通过气相色谱法和同位素比率质谱仪测量气体浓度和同位素比率，以确定甲烷排放和 AMO 速率。

下面详细介绍研究结果：

• 气候变化对 SO₄^2?浓度、氧化还原电位和细根生产力的影响：研究发现，升温导致孔隙水 SO₄^2?浓度下降，eCO₂对其影响则因深度而异。在 C₃群落中，eCO₂增加了氧化还原电位和细根生产力，且氧化还原电位与 SO₄^2?浓度呈显著正相关。
• AMO 过程对气候变化的响应：在 C₃和 C₄群落中，升温降低了 S-DAMO 速率，eCO₂则增加了该速率，且 S-DAMO 速率与 SO₄^2?浓度呈正相关。同时，研究表明在该研究地点，NO₂^?和 NO₃^?并非 AMO 过程的电子受体。
• 原位 CH₄排放：在 C₃和 C₄群落中，升温增加了 2022 年 6 月的 CH₄排放，eCO₂则减少了排放。从 2017 年到 2022 年的平均 CH₄排放趋势与 2022 年 6 月相似。
• ANME-1 和 ANME-2c 的丰度：在 C₃群落中，eCO₂增加了 ANME-1 和 ANME-2c 基因的总丰度，且 S-DAMO 速率与二者的联合基因丰度呈正相关。在 C₄群落中，升温则倾向于降低二者的平均丰度。

研究结论和讨论部分指出，SO₄^2?浓度的变化主要源于 SO₄^2?还原和再生速率的改变。升温促进了 SO₄^2?还原，而 eCO₂通过增强植物介导的氧气运输，促进了 SO₄^2?再生。S-DAMO 是该研究区域的主要 AMO 过程，其活性受 SO₄^2?浓度的限制。研究还发现，eCO₂促进 AMO 活性的机制并非与好氧甲烷氧化菌竞争甲烷，而是通过增加 SO₄^2?浓度来实现。此外，研究结果还表明，S-DAMO 在调节沿海湿地甲烷排放中起着关键作用，其对甲烷排放的影响因气候变化而改变。这些发现为深入理解沿海湿地甲烷动态变化提供了新的视角，强调了将这些过程纳入预测模型的重要性，以便更准确地评估沿海湿地在全球气候变化背景下对甲烷排放的影响。