城市河流沉积物中好氧甲烷氧化菌的群落结构与功能研究：以嘉陵江为例

这篇研究聚焦城市河流沉积物中的好氧甲烷氧化（aerobic methanotrophy）过程，通过微宇宙培养和高通量测序技术揭示了嘉陵江沉积物的甲烷氧化潜力及其关键功能菌群（如Methylobacter、Crenothrix等）。研究发现下游位点的氧化速率最高（48.7 μg/g/d），且溶解性有机碳（DOC）、总碳（TC）和碳氮比（C/N）显著影响氧化活性，为理解城市化对河流甲烷循环的调控机制提供了新视角。

　　

引言

河流作为全球甲烷（CH₄）排放与氧化的热点区域，其城市段因人类活动（如污水排放）导致甲烷浓度显著升高。尽管温带河流研究较多，但亚热带城市河流沉积物的甲烷氧化机制仍不明确。本研究以中国四川南充市嘉陵江及其支流西溪河为对象，探究城市河流沉积物的甲烷氧化潜力、功能菌群及其环境驱动因素。

材料与方法

采样与理化分析
在嘉陵江（JL-U、JL-D）和西溪河（XX-U、XX-D）的城区段采集0-10 cm表层沉积物，测定pH、溶解氧（DO）、氧化还原电位（Eh）、碳氮含量等指标。结果显示，嘉陵江下游（JL-D）的DOC（20.63 mg/L）和TC（18.00 g/kg）显著高于其他位点。

微宇宙培养实验
将沉积物置于10% CH₄浓度的培养瓶中，28°C下孵育30天，动态监测甲烷消耗速率。甲烷氧化速率（R_methane）通过气相色谱法计算，最高值出现在JL-D位点（48.7 μg/g/d）。

微生物群落分析
通过16S rRNA基因测序（V4-V5区）鉴定甲烷氧化菌。初始群落中，西溪河以Methylomarinum（27.4%）和Methyloterricola（21.1%）为主，而嘉陵江下游则以Methyloterricola（36.8%）占优。孵育后，I型甲烷氧化菌（如Methylobacter、Methylomicrobium）的相对丰度显著增加，其中Methylobacter在XX-U位点增长17.5%，表明其对高甲烷环境的适应性。

结果

甲烷氧化潜力
嘉陵江沉积物的甲烷氧化速率（平均6.89 μg/g/d）显著高于西溪河，且下游位点活性更强。速率随孵育时间下降，可能与甲烷供应限制有关。

关键功能菌群
I型甲烷氧化菌（如Methylobacter、Crenothrix）在孵育后成为优势类群，其丰度与TC（r=0.59）、DOC（r=0.62）呈正相关。而II型甲烷氧化菌（如Methylocystis）与DO呈负相关（r=-0.79），暗示其低氧适应性。

环境驱动因素
Spearman分析显示，甲烷氧化速率与TC（r=0.72）、DOC（r=0.70）显著正相关，与C/N比（r=-0.64）负相关。此外，Methylocaldum（r=0.73）和Methyloparacoccus（r=0.60）等菌属与氧化速率密切关联。

讨论

城市河流沉积物的高甲烷氧化潜力可能源于人类活动输入的碳氮污染物。I型甲烷氧化菌的竞争优势与其高亲和力甲烷单加氧酶（pMMO）有关，而DOC的促进作用可能通过支持甲基营养菌（methylotrophs）的共代谢实现。C/N比的负效应反映了氮限制对甲烷氧化的抑制，与全球河流研究一致。

结论

嘉陵江城市段沉积物具有显著的好氧甲烷氧化能力，下游位点活性最高。I型甲烷氧化菌（如Methylobacter）是功能主导类群，其活性受碳氮含量调控。未来需结合宏基因组学进一步解析城市化对甲烷代谢网络的长期影响。