海草生态系统需氧甲烷氧化菌群落特征及优势类群Methylomarinum的碳氮代谢潜力研究

本研究针对海草生态系统甲烷减排机制不清的科学问题，通过微宇宙培养实验结合宏基因组分析，揭示了NH4 + -N垂直分布驱动甲烷氧化速率差异的规律，发现I型甲烷氧化菌（特别是Methylomarinum）在甲烷富集条件下的主导作用，并首次解析了其兼具甲烷氧化（pMMO/Xox-MDH通路）和固氮（nifHDK基因簇）的双重代谢潜能，为蓝碳生态系统气候减缓策略提供了理论依据。

　　

研究背景
甲烷（CH₄
）作为温室效应强度达CO_{2
32倍的强效温室气体，其海洋排放量中近半数源自海草床等滨海生态系统。尽管海草被誉为"蓝碳明星"，但其富含有机质的厌氧沉积物却是甲烷生成的温床——全球海草每年释放0.09-2.7 Tg CH4
，且海草退化会进一步加剧排放。甲烷氧化菌（Methanotrophs, MOB）作为自然界最重要的生物甲烷汇，在湿地减排中发挥关键作用，但海草生态系统中的需氧甲烷氧化（Aerobic Methane Oxidation, AMO）机制仍是空白。}

研究设计与方法
中国科学院南海海洋研究所团队以中国广东流沙湾优势种卵叶盐草（Halophila ovalis）沉积物为研究对象，采用：

1. 分层（0-40 cm）微宇宙培养实验测定AMO潜力
2. pmoA基因扩增子测序解析群落结构
3. 表面沉积物宏基因组binning获得优势菌基因组草图（MAG）
4. KEGG通路分析揭示代谢特征

研究结果
1. 海草沉积物AMO潜力垂直梯度特征
甲烷氧化速率随深度递减（0-10 cm最高达0.62±0.23 μmol g^-1
d^-1
），与NH₄
⁺
-N含量呈正相关（R²
=0.84）。结构方程模型（SEM）显示NH₄
⁺
-N通过调控甲烷氧化菌丰度（pmoA基因拷贝数）间接影响AMO潜力。

2. 甲烷富集下的菌群动态
甲烷添加显著刺激I型甲烷氧化菌（相对丰度从<5.9%增至42.4%），其中Methylomarinum成为优势类群（30.3-42.4%），而原位优势的II型甲烷氧化菌Methylocystis（35.4-55.2%）被抑制。

3. 优势菌Methylomarinum sp. MAG81的代谢重构
宏基因组组装获得新型菌株Candidatus Methylomarinum sp. MAG81（与模式菌IT-4的ANI仅76.75%），其独特特征包括：

• 完整pmoCAB基因簇（编码颗粒性甲烷单加氧酶pMMO）
• XoxF型甲醇脱氢酶（Xox-MDH）替代传统Mxa-MDH
• 同时具备RuMP（核酮糖单磷酸）和丝氨酸途径基因
• 携带完整固氮基因簇nifHDK（参考菌株缺失）

结论与意义
该研究首次阐明：

1. 海草沉积物中NH₄
   ⁺
   -N的垂直分布是驱动AMO潜力分层的关键因子
2. Methylomarinum作为高甲烷浓度下的功能主导菌，通过pMMO/Xox-MDH双通路高效氧化甲烷
3. 该菌株可能通过nifHDK介导的固氮作用耦合碳氮循环

这项发表于《Environmental Microbiome》的研究为海草生态系统甲烷减排提供了微生物学机制解释，其发现的"甲烷氧化-固氮"双功能菌株为基于自然的解决方案（NbS）应对气候变化提供了新的生物技术靶点。