稳定微生物群落促进大型河流-水库系统中的好氧甲烷氧化作用及其生态意义

本研究通过多维分析揭示了淡水系统中好氧甲烷氧化（MOB）的生态机制，阐明了群落稳定性在调节甲烷衍生碳（methane-derived carbon）沿水文梯度分布中的关键作用。研究发现Alpha-向Gamma-变形菌（MOB）的类群转换驱动了不同生境的稳定性维持策略，为理解淡水碳循环与气候变化 mitigation 提供了新视角。

　　

摘要

研究聚焦大型河流-水库系统中好氧甲烷氧化（aerobic methanotrophy）的生态机制，揭示甲烷氧化菌（MOB）通过甲烷衍生碳（methane-derived carbon）支持微生物食物环的运作。群落稳定性被证实为调控该过程的核心因素，其通过物种多样性、MOB-浮游动物互作强度及生态位分化等机制，在不同水文梯度（riverine/lacustrine zones）和营养状态（oligotrophic/eutrophic）中呈现差异化模式。

引言

淡水系统是全球碳循环的关键参与者，年排放1.5 Pg C-CO₂和159 Tg CH₄。MOB作为甲烷"生物过滤器"，包含Gamma-变形菌（Gamma-MOB, I型）和Alpha-变形菌（Alpha-MOB, II型），通过氧化CH₄生成CO₂和生物量，同时为食物网提供甲烷衍生碳。然而，水文与营养梯度如何通过群落稳定性调控该过程尚不明确。

材料与方法

在长江上游4座水库（溪洛渡、向家坝、三峡、狮子滩）设置24个采样点，分表层（0.5m）、中层和底层（1m above sediment）采集水样。通过16S/18S rRNA测序分析微生物群落，结合环境参数（CH₄/CO₂通量、δ¹³C值）评估甲烷衍生碳贡献。采用共现网络、结构方程模型（SEM）和βNTI指数解析生态过程。

结果

甲烷衍生碳支持水生生产力
甲烷衍生碳对DOC的贡献率达0%-48.9%，与CH₄浓度显著正相关（R²=0.12-0.58）。中营养状态下贡献最高（17.5%），MOB丰富度与浮游动物多样性呈强关联（P<0.05），证实其碳源作用。

MOB生物互作增强群落稳定性
共现网络显示MOB移除后网络中心性降低30%-50%。河流区MOB-浮游动物互作占比57.8%，湖库区达62.8%。物种互作丰富度与群落变异指数（AVD）负相关，表明MOB通过碳供给稳定群落。

群落稳定性促进好氧甲烷氧化
SEM分析揭示群落稳定性解释甲烷衍生碳18%的变异。河流区（自然连通性41.4）和湖库区（39.6）稳定性最高，伴随Gamma-MOB（如ASV11）取代Alpha-MOB（ASV1783）成为关键种。

微生物机制解析
βNTI分析显示过渡带确定性过程占比43.7%，高于河流区（28.1%）和湖库区（24%）。湖库区广谱代谢物种（niche breadth index=1.2）通过生态位分化维持功能冗余。

讨论

甲烷衍生碳的双重角色
在河流区底部（贡献22.6%），甲烷衍生碳缓解种间竞争；湖库区则通过Gamma-MOB的代谢可塑性（如甲基杆菌属）维持低CH₄通量（0.05 mmol·m^?2·day^?1）。

稳定性驱动因素
物种多样性（Shannon指数2.07）和互作网络（facilitation motifs占49.3%）是核心机制。过渡带受悬浮颗粒（SPS）干扰导致稳定性最低，印证"边缘效应"理论。

管理启示
中营养状态和湖库生境最利于MOB功能发挥。未来需整合pmoA基因测序，以精准解析MOB功能基因与代谢通路。

重要性

研究首次从甲烷衍生碳视角，阐明群落稳定性-好氧甲烷氧化的双向调控机制，为预测气候变化下淡水CH₄排放提供了理论框架。