湖泊温室气体排放中溶解性有机质组分的调控机制

溶解性有机质（DOM）在温室气体（GHGs）产生过程中发挥关键作用，然而其季节性演化过程及其在温室气体生成中的利用机制仍缺乏清晰认识。该研究结合沉积物中溶解性有机质（DOM）表征、傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）与宏基因组学（metagenomics），分析了中国武汉4个富营养化湖泊的温室气体通量，以探究其潜在机制。结果表明，从春季到冬季，DOM逐渐演化为一种热力学上更稳定的状态，其特征为较低的氧化态和较高的饱和度。甲烷生成（methanogenesis）严格依赖于甲烷菌可利用的特定前体底物，而这些底物需要通过前生物降解过程生成，尤其依赖低氧化态、高饱和度的碳、氢、氧、氮、磷、硫（CHONPS）型DOM。相比之下，CO₂ 产生表现出更广泛的底物利用模式，主要受有机物氧化程度（O/C比）及分子结构控制。值得注意的是，在反硝化过程中，具有较低氧化态和较高饱和度的小分子有机物优先促进N₂O向N₂ 的还原，从而导致N₂O通量显著降低。总体而言，从春季到冬季，沉积物中DOM代谢逐渐转向优先促进CH₄ 而非CO₂ 的产生，同时推动N₂O向N₂ 转化。这些发现强调了DOM在调控温室气体生成分异中的关键作用，并为理解湖泊生态系统中温室气体通量动态提供了新的认识。

该论文发表于《Water Biology and Security》，围绕浅水富营养化湖泊沉积物中溶解性有机质（DOM，dissolved organic matter）与温室气体（GHGs，greenhouse gases）产生之间的耦合关系展开系统研究，重点关注CO₂、CH₄ 和N₂O三类关键温室气体在季节尺度上的变化规律及其受DOM分子组成调控的机制。湖泊是重要的大气温室气体排放源，在全球碳循环与气候变化过程中具有重要地位。近年来，气候变暖与富营养化加剧，促使湖泊分层增强、缺氧加重、藻华频发，并改变有机碳输入与沉积物—水界面生物地球化学过程，进而影响温室气体释放。然而，既有研究多聚焦于单季节或静态观测，对于浅水湖泊DOM的连续季节演替、不同温室气体对DOM底物的竞争利用关系，以及DOM化学性质如何驱动温室气体生成分化，仍缺乏系统阐明。因此，开展跨季节、分子水平与微生物功能相结合的研究，具有重要科学意义。

研究人员以武汉4个具有代表性的湖泊为对象，包括后官湖（HG）、严东湖（YD）、知音湖（ZY）和汤逊湖（TX），在2023年3月至2024年2月开展为期1年的监测。研究发现，不同湖泊温室气体通量具有明显季节性和昼夜差异，而沉积物DOM也表现出显著季节重构。随着季节推进，DOM由较高氧化态逐渐转向较低氧化态，同时H/C比升高，表明分子饱和度增加，体系趋于热力学更稳定状态。在此过程中，甲烷生成越来越倾向于利用低O/C、高H/C、富含CHONPS元素的DOM分子，而CO₂ 生成则更多受有机分子氧化程度和结构特征影响，底物范围更广。对于N₂O而言，低氧化态、高饱和度的小分子DOM更有利于其进一步还原为N₂，从而降低N₂O排放。该研究由此揭示，DOM热力学性质及其分子组成是区分不同温室气体生成路径的重要控制因子，对理解湖泊温室气体收支和气候反馈具有重要价值。

研究人员主要采用了以下几类关键技术方法：以武汉4个不同营养状态与DOM来源特征的湖泊为样本队列，进行季度DOM与沉积物微生物群落监测、月度水体与沉积物营养盐及气体通量监测；采用原位浮箱结合气体分析仪与GC-MS测定CO₂、CH₄ 和N₂O通量；利用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）解析沉积物水溶性DOM的超高分辨率分子组成，并结合峰间质量差（PMD）分析推断分子转化；通过宏基因组学解析微生物功能基因与群落组成；辅以胞外酶活性测定和¹⁵N同位素示踪，评估反硝化、厌氧氨氧化（anammox）及DNRA等氮转化过程。

在研究结果部分，论文首先在“3.1. Spatial and temporal distribution of net GHGs release fluxes and trophic parameters in lakes”中指出，四个湖泊三类温室气体通量均存在显著季节变化与昼夜差异。CO₂ 日间净释放在晚春至夏季降至全年最低，夜间释放则在夏秋达到峰值；CH₄ 排放总体于夏季达到高值、秋季最低，且夜间CH₄ 通量与沉积物DOC显著正相关，说明可溶性有机底物对甲烷释放具有重要作用。N₂O通量在夏秋季白天通常接近于零，夜间部分站位甚至表现为弱汇，提示浅水湖泊夏季完全反硝化潜力较高。研究还发现，日间CO₂ 与叶绿素a（Chl a）和颗粒有机碳（POC）显著负相关，表明藻类光合作用对CO₂ 固持具有重要影响。

在“3.2. Seasonal changes in DOM composition of lake sediments and contributions to GHGs”中，研究人员利用Van Krevelen图和分子组成统计揭示了DOM的季节演化特征。虽然不同湖泊之间空间差异相对有限，但DOM在时间尺度上呈现显著重组，尤其发生在春夏转换阶段。DOM从高O/C向低O/C转变，H/C比从低于1升高至高于1.5，显示分子饱和度增强。肽类样组分增加，木质素类组分下降，碳水化合物持续降解；同时AImod、(DBE-O)/C和NOSC降低，说明DOM逐渐转向热力学更稳定的还原态。CHO类DOM占比超过60%，但随季节推进有所下降；NP类组分下降而CHOS组分增加，反映藻类生长对氮磷的依赖以及含硫有机组分较高的稳定性。上述结果表明，沉积物DOM并非静态碳库，而是在季节过程中持续经历生成、降解与转化，并深刻影响温室气体形成条件。

在“3.3. Competition in carbon utilization strategies during the production of CO₂ and CH₄”部分，论文系统讨论了CO₂ 与CH₄ 在DOM利用上的竞争关系。

其中，“3.3.1. Functional group”通过PMD分析识别不同季节DOM分子之间的潜在转化模式，主要包括-CH₂、-CO、-HCHO、-HCOOH、-CO₃、-COOCO和-CNH等功能团变化。研究发现，夜间CO₂ 净释放与-SH官能团转化数量呈正相关，提示含硫功能团代谢可能参与硫酸盐还原菌共代谢途径，并与甲烷氧化相关，从而间接抑制CH₄ 产生。另一方面，日间CO₂ 净释放与-COSH呈负相关，说明部分微生物过程可能将CO₂ 固定并用于有机硫化合物合成。

在“3.3.2. DOM utilization during the production of CO₂ and CH₄”中，研究人员聚焦夜间条件下DOM与气体通量关系，发现CH₄ 与CO₂ 通量均与特定DOM组分显著正相关，且两者对应的DOM组成高度重叠，说明厌氧环境中存在对共同DOM来源的代谢竞争。与CO₂ 仅相关的52种有机物主要来源于木质素，而与CH₄ 特异正相关的有机物多达869种，明显多于与CO₂ 相关的155种。甲烷生成相关DOM在元素组成上表现出CHONPS、CHOP和CHOS优势，并具有低O/C和高H/C特征。论文据此指出，甲烷菌对前体底物依赖严格，需要先由前期分解过程将复杂DOM转化为乙酸、H₂/CO₂ 等底物；富含氮、磷、硫的还原态DOM不仅能提供甲烷生成所需营养元素和辅酶相关成分，也可能通过分解产物抑制部分产酸菌或产CO₂ 异养菌。相较之下，CO₂ 生成依赖更普遍的有机氧化代谢网络，因此底物谱更宽。

在“3.3.3. The role of genes and microbial communities in organic carbon utilization”中，宏基因组结果显示，夏季甲烷生成相关功能基因具有明显季节特异性，且其高丰度与甲烷氧化基因低值期相重合。尽管如此，甲烷代谢核心基因mcr、mtr、mta的丰度仍显著低于CO₂ 产生相关基因，这反映出甲烷生成途径在代谢上更专一，必须依赖有限前体底物，并需通过复杂DOM的预分解获得。微生物—DOM关联分析进一步表明，甲烷菌与产CO₂ 微生物均与木质素类碳源显著相关，但不同甲烷生成类群对底物有差异偏好：利用乙酸的Methanothrix更偏向木质素相关底物，利用氢和甲基底物的Methanobacterium偏向肽类样碳源，而Methanocaldococcus倾向芳香结构碳源。元素层面上，甲烷菌更偏好CHONS/CONS型DOM，CO₂ 产生微生物则广泛利用CHO与CHON等多类底物。

在“3.4. Strategies for utilizing DOM in N₂O production”中，论文阐明了N₂O通量与DOM类型和性质之间的密切关系。夜间N₂O净通量与多种有机碳组分显著正相关，说明DOM在N₂O产生及其进一步还原过程中充当关键电子供体。日间N₂O通量与有机碳的相关性则更集中于肽类样和木质素样DOM，这些DOM普遍具有更低O/C和更高H/C。与完全反硝化相关的DOM主要分布在低O/C、高H/C区域，而与N₂O产生相关的DOM分布更广。密度分析表明，小分子DOM更易被微生物利用作为电子供体，支持其在N₂O向N₂ 转化中的促进作用。季节上，夏季是N₂O产生与转化的关键时期，nir和nor等功能基因丰度略高，说明微生物氮循环活跃；而nos基因丰度相对较低，可能限制N₂O被完全还原，因此即使在低氧、高温和高DOM浓度等有利条件下，仍有部分N₂O释放到大气中。总体而言，低O/C、高H/C、分子量较小的DOM更倾向于支持完全反硝化并降低N₂O排放。

在讨论与综合结论层面，论文强调，湖泊沉积物中DOM的热力学性质与分子组成决定了不同温室气体生成路径的分化方向。随着季节变化，DOM向更还原、更饱和的稳定状态演替，这一变化更有利于CH₄ 而非CO₂ 的生成，同时也为N₂O向N₂ 的还原提供更适宜的电子供体。研究由此说明，DOM并非仅是被动碳源，而是通过其分子结构、元素组成和氧化还原属性，主动塑造沉积物微生物代谢网络与温室气体生成格局。尤其在变暖背景下，藻源DOM输入增强可能推动富营养化湖泊向更高CH₄ 排放方向转变，因此在生态模型与气候预测中纳入DOM化学指标具有必要性，可用于提高湖泊温室气体收支估算精度，并为湖泊管理与气候缓解提供支撑。

研究结论部分可概括翻译为：该研究表明，湖泊温室气体通量的季节变化受DOM热力学演化及微生物代谢途径共同调控。随季节变化，DOM逐渐演化为低氧化、高饱和的热力学稳定状态。夏季藻华通过有效固碳显著降低CO₂ 净释放，而溶解态DOM及活性底物（如乙酸和氢）的累积则驱动CH₄ 通量达到峰值。甲烷生成受限于甲烷菌对特定前体物质的严格依赖，需要DOM在前期分解过程中生成必要底物，尤其是CHONPS型以及低O/C、高H/C的DOM；这一过程还受-SH基团介导的CH₄ 氧化和-COSH基团参与的碳硫耦合作用影响。相较而言，CO₂ 生成更依赖有机分子的氧化程度（O/C）和结构特征，因此底物利用范围更广。在反硝化过程中，低O/C且高H/C的小分子有机物优先促进N₂O向N₂ 的还原，从而在夏季显著降低N₂O通量。因此，浅水湖泊沉积物DOM总体上更趋向于促进CH₄ 而非CO₂ 的产生，并有助于推动N₂O向N₂ 转化；在评估温室气体对气候变化的影响时，必须充分考虑这些复杂相互作用。