北方泥炭地微生物群落对气候变暖的抵抗机制：从土壤有机质获取电子受体的新发现

本研究针对气候变暖下泥炭地碳循环调控机制不清的科学问题，通过全生态系统增温实验（SPRUCE）结合多组学分析，揭示了微生物群落通过从有机质中获取硫酸盐等电子受体（TEAs）维持代谢活性的新机制，解释了CO2:CH4排放比异常现象，为预测气候变化下泥炭地温室气体排放提供了理论框架。

　　

泥炭地储存着地球土壤碳库的半数资源，其碳平衡取决于植物生产力与有机质分解的微妙平衡。随着高纬度地区气候变暖加剧，这些"碳银行"的稳定性面临严峻挑战。传统观点认为，泥炭地厌氧条件下甲烷生成（methanogenesis）应是主要分解途径，但实际观测到的CO₂排放量常比CH₄高10-1000倍，这一矛盾现象长期困扰着学界。更令人困惑的是，尽管增温显著提升了温室气体排放，微生物群落组成却表现出惊人的稳定性——这背后究竟隐藏着怎样的生态适应机制？

为解开这些谜团，美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）联合橡树岭国家实验室等机构的研究团队，在著名的"云杉与泥炭地对环境变化的响应"（SPRUCE）实验基地展开深入研究。通过整合697个宏基因组组装基因组（MAGs）与多组学数据，他们发现泥炭微生物通过代谢可塑性（如双途径产甲烷）和有机质裂解获取电子受体（如硫酸盐）的创新策略，维持了群落稳定性。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，为预测气候变暖下泥炭地碳命运提供了新视角。

研究采用三大关键技术：①全生态系统增温实验（空气与泥炭同步加热）；②深度宏基因组测序（2.4 Tbp数据）结合基因组组装（697个MAGs）；③多组学整合分析（代谢组、蛋白组与转录组）。样本来自美国明尼苏达州Marcell实验森林的S1泥炭沼泽，覆盖表层（10-20 cm）至深层（150-175 cm）的垂直剖面。

结果解读

泥炭微生物群落具有深度分层特征
通过非度量多维标度（NMDS）分析发现，微生物群落结构随深度显著分化（P=0.002），表层以好氧菌为主，深层则富集Thermoproteota等厌氧菌。值得注意的是，79.5%的MAGs属于未描述的分类单元，与瑞典Stordalen泥炭地仅有3.7%基因组重叠，凸显生态特异性。

增温未改变群落组成但提升代谢活性
尽管三年增温使CH₄排放量显著增加，但db-RDA分析显示群落结构无显著变化（图1A）。关键功能群（如硫酸盐还原菌、产甲烷菌）的相对丰度保持稳定（图2），表明微生物通过代谢调节而非种群替代响应环境变化。

优势菌株展现非凡代谢可塑性
研究发现：①优势产甲烷菌Ca. Methanoflorens（相对丰度2.8%）同时具备乙酸裂解（acetoclastic）和氢营养型（hydrogenotrophic）产甲烷途径（图3）；②Acidobacteriota成员SPRUCE 682能交替进行有氧呼吸与硫酸盐还原；③Bathyarchaeia首次被证实具有亚硫酸盐还原潜力。这种"多面手"特性可能是抵抗环境波动的关键。

有机质裂解提供替代电子受体
通过代谢组-基因组关联分析，团队提出创新机制：微生物通过胆碱-O-硫酸酯酶（betC）等从有机质中释放SO₄^2-（图4C），破解了泥炭地无机电子受体匮乏的困境。这一发现解释了高CO₂:CH₄排放比（图4B）及增温下硫酸盐还原菌活性增强的现象。

结论与展望

该研究建立了泥炭地碳分解的新范式（图6）：①表层（acrotelm）通过好氧呼吸和发酵主导分解；②中层（mesotelm）成为有机质裂解热点，硫酸盐还原等途径抑制甲烷生成；③深层（catotelm）甲基营养型产甲烷与反硝化作用并存。这种分层代谢网络解释了微生物群落的抗干扰性——当温度升高时，群落无需更替组成即可通过现有代谢途径的活性调节适应变化。

这项研究从根本上改变了人们对泥炭地碳循环的认知：传统认为的"电子受体限制"被证明可通过有机质内源供给缓解，而产甲烷菌的代谢灵活性远超预期。这些发现为完善地球系统模型中温室气体排放预测提供了分子基础，对评估全球碳-气候反馈具有重要启示。未来研究可聚焦于有机电子受体的定量贡献及代谢网络的时间动态，以更精准预测泥炭地碳库的气候响应。