长期富营养化限制了富营养化沿海流域中微生物对甲烷的去除作用

《Environmental Science & Technology》：Long-Term Euxinia Restricts Microbial Methane Removal in Eutrophic Coastal Basins

　　研究比较了Stockholm Archipelago三个不同分层时间（季节性、长期）的站点中甲烷氧化菌（MOB）的活性、群落组成及微生物网络结构，发现长期分层导致硫化条件加剧，MOB多样性降低、活性减弱，进而削弱水体甲烷去除能力，加剧甲烷排放。

　　在沿海生态系统中，甲烷氧化细菌（MOB）通过氧化底水中的甲烷，在富营养化水域中发挥着关键的甲烷减排作用。然而，随着全球变暖和富营养化的持续加剧，水体分层现象变得更加频繁和持久，这不仅会增强缺氧和硫化物积累（即所谓的“euixinia”），还可能影响水体中甲烷的去除能力。本研究聚焦于斯德哥尔摩群岛的三个不同分层特征的海湾，分别代表了不规则、季节性和长期性的euixinia条件，并在2022年夏季对其进行了比较分析。研究发现，长期euixinia条件下，水体中的甲烷积累最为显著，同时水-气甲烷排放也最高，而甲烷氧化潜力却最低。这一现象表明，随着水体分层时间的延长，甲烷生物过滤能力可能受到抑制，从而导致甲烷排放量增加。

### 研究背景与意义

沿海生态系统虽然仅占全球海洋面积的16%，但却贡献了高达75%的海洋甲烷排放。这种高比例的甲烷排放主要是由于沿海水域中富营养化导致的沉积物甲烷释放增加。同时，随着全球气候变化，水体分层现象愈发严重，这使得水体中的缺氧和硫化物积累更加频繁。甲烷氧化细菌作为水体中重要的甲烷减排微生物，其在不同红ox条件下的分布和活性变化对于评估海洋甲烷排放具有重要意义。因此，理解长期euixinia对MOB活性、多样性和生态位的影响，有助于预测未来沿海水域的甲烷排放趋势，并为相关政策制定提供科学依据。

### 研究方法与采样地点

研究选择了斯德哥尔摩群岛内的三个海湾作为采样点，分别代表了不规则、季节性和长期性的euixinia条件。这些海湾具有不同的水体分层模式和底水红ox状态。通过在2022年9月进行高垂直分辨率的水体采样，研究团队获取了水体中甲烷、硫化物以及微生物群落的详细数据。采样过程中，使用了CTD（温盐深仪）设备测量水体中的氧气、盐度和温度，从而确定了水体分层的边界。此外，还通过浮舱法测量了水-气甲烷通量，并结合实验室培养和DNA提取等方法，分析了甲烷氧化速率和微生物群落组成。

### 甲烷与硫化物浓度分析

在三个采样点中，SKS（长期euixinia）的底水甲烷和硫化物浓度最高，分别为84 μmol L?1和349 μmol L?1，而VAR（季节性euixinia）和VAX（不规则euixinia）的底水甲烷浓度相对较低。值得注意的是，尽管VAX的水体没有出现明显的euixinia，但其水-气甲烷通量仍略高于VAR。这种差异可能与不同海湾的水体分层程度、底水隔离时间以及沉积物甲烷释放速率有关。长期euixinia的条件使得甲烷和硫化物在水体中积累时间更长，从而导致更高的水-气甲烷排放量。

### 甲烷氧化潜力的比较

研究团队通过实验室培养实验，测试了不同水层的甲烷氧化潜力。结果表明，在长期euixinia的SKS海湾中，甲烷氧化速率最低，而在季节性euixinia的VAR海湾中，甲烷氧化速率较高。这可能与不同水层中微生物的分布和活性有关。例如，在VAR海湾中，MOB在底水层的活性较强，而在SKS海湾中，由于长期的缺氧和硫化物积累，MOB的活性受到抑制，导致甲烷氧化潜力降低。此外，VAX海湾的甲烷氧化速率在底水层和过渡层之间变化不大，但整体上仍低于VAR海湾。

### 微生物群落结构与功能分析

通过对微生物群落的分析，研究发现MOB在水体中的分布受到红ox梯度的显著影响。在三个海湾中，MOB的相对丰度在不同水层之间存在明显差异。例如，在SKS海湾中，MOB的相对丰度在底水层和过渡层之间变化较大，而在VAR海湾中，MOB在底水层的相对丰度较高，但其在表层水中的分布受到限制。这种分布模式可能与不同水层中的微生物竞争、营养物质供应以及环境条件的变化有关。此外，研究还发现，MOB与硫循环相关的微生物（如Campylobacterota）之间存在显著的共现关系，这可能意味着MOB与这些微生物之间存在相互作用，从而影响其活性和分布。

### 基因组分析与代谢适应性

为了进一步了解MOB的代谢适应性，研究团队对三个海湾的水体样本进行了宏基因组分析。结果表明，MOB具有广泛的代谢能力，能够在不同红ox条件下进行甲烷氧化。例如，在长期euixinia的SKS海湾中，MOB表现出对硝酸盐和金属氧化物的利用能力，这使得它们能够在缺氧条件下继续氧化甲烷。然而，尽管MOB具有这种适应能力，其在底水层的活性仍受到限制，这可能与环境条件的改变和微生物竞争有关。此外，研究还发现，MOB的基因组中包含与低氧适应相关的基因，如高亲和力氧化酶和发酵相关基因，这表明MOB能够在低氧环境中维持其功能。

### 微生物网络结构与生态位重叠

通过构建微生物共现网络，研究团队发现不同水层中的微生物群落结构存在显著差异。在长期euixinia的SKS海湾中，微生物网络的复杂性较低，且各微生物群落之间的隔离程度较高。而在季节性euixinia的VAR海湾中，微生物网络的复杂性相对较高，且MOB与硫循环微生物之间存在较强的共现关系。这种网络结构的变化可能反映了不同红ox条件下微生物群落的动态调整。此外，研究还发现，MOB与某些微生物（如Campylobacterota）之间存在较高的生态位重叠，这可能意味着这些微生物在甲烷氧化过程中起到重要的辅助作用。

### 环境影响与未来展望

本研究的结果表明，长期euixinia条件会显著降低水体中甲烷的去除能力，从而增加甲烷排放。这种现象可能与微生物群落的多样性下降、代谢途径的改变以及MOB生态位的缩小有关。随着全球变暖和富营养化的加剧，沿海水域的euixinia现象可能会更加频繁和持久，这将对海洋甲烷排放产生深远影响。因此，未来的研究需要更加关注长期euixinia对微生物群落和甲烷循环的影响，以更好地预测和应对气候变化带来的环境挑战。此外，政策制定者应加强对沿海水域富营养化的治理，以减少甲烷排放的风险。