沉积类型通过调控洪泛区湖泊中的活性有机碳主导甲烷代谢

《Journal of Environmental Sciences》：Sedimentary type dominates methane metabolism by regulating labile organic carbon in floodplain lakes

　　

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  湖泊沉积物表现出更高的甲烷产生潜力（MPP）。
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  与MPP不同，湖泊沉积物和河流沉积物之间的厌氧甲烷氧化（AMO）潜力没有显著差异。
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  活性碳组分在控制MPP方面发挥关键作用。
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  CH₄主要通过氢营养途径来源于甲烷微菌。
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  候选门NC10细菌和ANME-2d古菌是主要的甲烷氧化微生物。

引言

淡水湖泊是第二大自然甲烷（CH₄）排放源，占全球自然CH₄排放的16 % - 24 %（Saunois等，2020）。湖泊CH₄通量表现出显著的空间和时间异质性，代表了大气CH₄预算中最大的不确定源（Gruca-Rokosz等，2020；Schmiedeskamp等，2021）。许多研究探讨了调节湖泊CH₄排放异质性的因素，确定温度（Yvon-Durocher等，2014）、地下水位（Brown等，2014）、有机物质含量和质量（Berberich等，2020；Gruca-Rokosz和Cie?la，2021）以及pH值是CH₄排放的关键驱动因素。这些研究主要集中于单个环境因素的影响，实验条件和结果显示出显著变异性。然而，这些孤立因素对CH₄代谢的影响无法捕捉现实世界的复杂性。一些从根本上调节湖泊系统动态的关键过程，如沉积物质地和暴露历史，对CH₄代谢的影响仍知之甚少。这些被低估的过程通常涉及多因素相互作用，在理解自然环境中CH₄代谢的变异和调节中起着关键作用。

在淡水湖泊中，沉积物富含有机碳，与水体柱相比常成为CH₄代谢热点。沉积物类型及其相关性质在湖泊不同区域差异显著，主要受其水文和地形条件控制。在开阔稳定的水域，淤泥和黏土作为湖泊沉积物有节奏地沉积，而在河流入湖口和河道邻近区域，更多的砾石和沙子作为河流沉积物沉积（Reinders等，2023；Xu等，2020）。沉积物质地（指粒径分布）影响有机物质分布、氧化还原电位和微生物丰度，所有这些预计对CH₄代谢有显著影响（Praetzel等，2021；Yakimovich等，2020；Zhou等，2022）。淡水湿地（如沼泽和溪流）研究表明，沉积物质地与有机物质含量在驱动CH₄排放方面同样重要（Praetzel等，2021；Wagner等，1999）。目前，对沉积物类型对湖泊CH₄排放影响的认知及相关机制仍严重不足。

除了沉积物质地，水位波动是湖泊生态系统的固有特征，与CH₄代谢密切相关（Yuan等，2023）。水位波动导致一些湖岸区域沉积物周期性暴露于空气中，这种先前的暴露可导致氧气可用性、有机物质含量和组成、氧化还原电位以及甲烷代谢微生物群落结构的持久变化，即使条件恢复一致淹没后仍然如此（Shi等，2021；Zhang等，2023a）。大多数产甲烷古菌对氧化应激敏感（Lyu和Lu，2018）。以往研究广泛探讨了水位与CH₄代谢的关系，但暴露历史对沉积物CH₄代谢的影响仍研究不足。此外，沉积物暴露于空气可能对甲烷代谢的影响大于水位波动。在人类活动和气候变化影响下，如大坝建设和降水减弱，越来越多的常年淹没湖泊正转变为季节性淹没湖泊，给全球CH₄预算估计带来重大不确定性（Ueyama等，2023）。因此，研究暴露历史对湖泊CH₄代谢的影响至关重要。

湖泊净CH₄排放由与产甲烷菌和甲烷氧化菌相关的CH₄产生和氧化之间的平衡决定（Chen等，2013；Segers，1998）。产甲烷菌利用多种碳底物进行产甲烷，主要通过三种机制产生CH₄：氢营养产甲烷、乙酸裂解产甲烷和甲基营养产甲烷（Kim等，2020；Zhou等，2022）。甲烷氧化菌以CH₄为主要能源，在减轻湖泊沉积物CH₄排放方面起关键作用，可消耗多达70 %产生的CH₄（Crevecoeur等，2019）。因此，研究产甲烷菌和甲烷氧化菌与CH₄动态的同步变化可深入了解CH₄通量的微生物机制。沉积物类型和暴露历史可显著影响甲烷代谢微生物的多样性和活性。许多研究报告河流输入可能增加沉积物有机物质同时降低硫酸盐浓度，有利于产甲烷菌生长并促进CH₄排放（Wang等，2023b）。另有研究认为湖泊区域含有更多细颗粒，支持更大的微生物附着并提供更有利的厌氧环境，这可能增加产甲烷菌丰度和CH₄产生（Lin等，2023）。沉积物暴露于空气可能促进有机物质分解并降低底物可用性（Paranaíba等，2020）。它也可能抑制厌氧甲烷代谢微生物的生长和代谢，从而减少CH₄产生（Fenchel和Finlay，2008）。然而，其他研究报告了相反结果，表明沉积物暴露历史对CH₄排放影响甚微甚至可能增强排放（Su等，2024）。因此，沉积物相态和暴露历史影响CH₄排放的微生物机制是非常复杂的过程，需要更多研究揭示具体过程。

本研究调查了沉积物类型和暴露历史对中国鄱阳湖——一个洪泛平原湖泊——采集沉积物中CH₄代谢微生物群落和CH₄代谢潜力的影响。我们假设：(1)湖泊沉积物中CH₄代谢潜力主要由沉积物类型介导；(2)沉积物类型主要通过影响沉积物中有机物质的数量和质量来影响CH₄代谢，而暴露历史直接调节产甲烷微生物群落结构。本研究结果增进我们对调节湖泊CH₄排放和甲烷代谢微生物的因素和机制的理解，从而实现对全球湖泊CH₄通量更准确的估计。

章节摘要

研究场地描述和样品采集

鄱阳湖（PYL，28°45′N，116°01′E）是典型洪泛平原湖泊，直接连接长江中下游（Wu等，2012），中国。PYL主要从盆地周围五条主要河流接收水，包括赣江、抚河、信江、饶河和修水，然后流入长江。受支流输入影响，PYL河口和主河道区域水流快，沉积物表现出更多河流特征（Yao等，

沉积物理化性质

总体而言，FP和FS的质地以砂粒为主，超过70 %，表明河流沉积环境（表1和图S1）。与FP和FS相比，LP和LS沉积物表现出显著更高的比表面积（SSA）、粉砂和黏土，这是湖泊沉积物特征。

沉积物类型和暴露历史显著影响沉积物理化性质（表1）。一般来说，LP中TN、NH₄⁺、NO₃^-和SO₄^2-的浓度

湖泊沉积物积累更多有机质，而暴露历史增加了磷含量

沉积物质地与水流速度和地理位置密切相关（Baas等，2004）。受水流影响较小的湖泊沉积物倾向于积累更多细粒黏土和粉砂，而河流沉积物含有更大比例粗粒砂（Xu等，2020）。一般来说，受河流输入影响的河流区域预计显示更高有机物质含量。然而，我们的发现显示

结论

总体而言，我们的研究表明沉积物质地对调节湖泊沉积物中甲烷代谢具有重要作用。湖泊沉积物特征为更细的底物、更高有机物质含量和更大营养生物有效性。湖泊沉积物的MPP显著高于河流沉积物，暴露历史仅影响湖泊沉积物的MPP，缺乏暴露历史的沉积物表现出更高的MPP。在我们的

未引用参考文献

Chen等，2023

CRediT作者贡献声明

钟辉：撰写——初稿、可视化、数据整理。刘亚俊：撰写——初稿、调查。张山：撰写——初稿、可视化。刘一真：撰写——审阅与编辑、资源。葛刚：资金获取。马燕天：撰写——审阅与编辑、资金获取。吴兰：监督、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（编号：32260290、32371628、31971470和32360285）和江西省自然科学基金（编号：20212ACB205009）资助。

钟辉|刘亚俊|张山|刘一真|葛刚|马燕天|吴兰